怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?

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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):

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?

其中 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 为固有时,对于类时测地线怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?

然后,能量和角动量这两个守恒量:

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得到:

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做换元

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可以得到:

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继续换元,令怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?,可以得到怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?,整理后可以得到:

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怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 求导:

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显然这一方程如果成立,有:

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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怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?视为小量,此时方程变为:

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?

这个方程的解是:

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换元回去:

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?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:

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?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 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? ,那么方程(10)其实是可以用均值线性近似的方法解的:

假设: 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 的均值 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 满足 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? ,那么显然有: 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? ,这时候轨道是接近圆的,那么有:

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 略去其中的高阶项 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 那么:

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 好,带入(10),整理得到:

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 这个方程是可以解的,他的通解是

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?(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: 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? ,此时我们可以得到轨道的近日点和远日点距离分别为:

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 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):

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 则角度差为:

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 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。

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如果我们继续推下去,则:

怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?以牛顿轨道估计k/h的数值,则可以得到:

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怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? 这就是行星轨道近动了。写成国际单位制就是:

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我们可以根据:

水星的远日点距离 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?

离心率e=0.206;

太阳质量: 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?

带入公式(13)计算出水星的角动量 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?

然后带入引力常量 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转?

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 怎么用爱因斯坦广义相对论解释地球公转? ,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''

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