1916年,de Sitter提出了地球-跃迁系统在太阳引力场中的测地进动,地月系统可以简化为一个在引力场中自由下落的陀螺仪,这个陀螺仪的自转轴会在太阳的引力下发生进动,进动率是每年0.0192’’。
之前在研究水星轨道时,也有轨道长轴进动,现在考虑的是天体自转轴进动。
考虑一个陀螺仪的自旋矢量
为简化模型,我们考虑史瓦西时空中在θ=π/2平面上的半径为R的圆周轨道,根据“广义相对论23”的结果,圆周运动时有
陀螺仪的四速度就是
其中有一个最简单的方程
是一个二阶线性微分方程,解得
已知圆周角速度有
与原来的方向有一个夹角,就是陀螺仪矢量的偏转角
这个角度非常小,几乎无法观测,但是可以通过跃迁激光测距来探测,测量与理论偏差大约0.7%。
不过注意到进动角只与三个量有关,一个是中心天体质量,一个是轨道半径,还有第三个非显含的周期数或者时间,因为我们研究的是每年的进动角,那么轨道半径低一点,周期数足够多的话,一年就会累积很多的进动角,于是我们可以利用近地卫星来做实验。
比如高度为650km的卫星,轨道半径是
每年绕地球转
这个角度就比地球自转轴进动角大了两个数量级,不过还是很小,但是有高精度实验可以测量,而地球作为中心天体也有自转,也会对进动角有修正,利用Gravity Probe B测量与理论误差为0.28%,与理论基本符合。
这个就是测地进动现象,也叫de Sitter-Fokker效应。