零度君的回答
(吃坏东西了,肚子疼睡不着,稍微写一点吧)
用广义相对论推导行星公转显然是大材小用了:
在广义相对论的史瓦西解中,测地线方程(自然单位制下):
其中 为固有时,对于类时测地线
然后,能量和角动量这两个守恒量:
得到:
做换元
可以得到:
继续换元,令,可以得到,整理后可以得到:
对 求导:
显然这一方程如果成立,有:
或
对于(9)来说,相当于轨道半径r与角度无关,即正圆轨道。
对于(10)来说,求解相对较为困难。我们可以采用一个取巧的办法,即在弱场近似的条件下相对论修正项视为小量,此时方程变为:
这个方程的解是:
换元回去:
熟悉不,是不是极坐标下的圆锥曲线方程。 (12)带入回(7)可以得到e的表达式:
以上的结果和牛顿力学结果是一样的。
然后还没有结束:如果认为 ,那么方程(10)其实是可以用均值线性近似的方法解的:
假设: 的均值 满足 ,那么显然有: ,这时候轨道是接近圆的,那么有:
略去其中的高阶项 那么:
好,带入(10),整理得到:
这个方程是可以解的,他的通解是
(18)就是广义相对论的行星轨道了 ,在只考虑椭圆的前提下(即忽略e≥1的情况),可以看出来尽管行星轨道偏离了椭圆轨道,但是他仍然是仍然是一个有界函数,其取值范围为: ,此时我们可以得到轨道的近日点和远日点距离分别为:
即尽管行星轨道不再是椭圆了,但是他的近日点和远日点的距离没有变化。有变化的是角度,即达到近日点或者远日点的相位,以近日点为例:
注意到(泰勒展开):
则角度差为:
选几个参数算一下,轨道是这样的。其中红色是牛顿轨道,橙色是相对论轨道。
如果我们继续推下去,则:
以牛顿轨道估计k/h的数值,则可以得到:
即
这就是行星轨道近动了。写成国际单位制就是:
我们可以根据:
水星的远日点距离 ;
离心率e=0.206;
太阳质量:
带入公式(13)计算出水星的角动量
然后带入引力常量
根据公式(25)计算出广义相对论效应导致的:
水星的周期近动为 ,每世纪近动为43.3''
同理可以计算出:
广义相对论效应导致的金星每世纪近动为:8.7''
广义相对论效应导致的地球每世纪近动为:3.8''
广义相对论效应导致的火星每世纪近动为:1.4''