Precesiunea periheliului orbitei lui Mercur

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Precesiunea periheliului (puternic exagerată).

Prin precesiune a periheliului orbitei lui Mercur înțelegem precesiunea (rotația) periheliului (cel mai apropiat punct de Soare ) al orbitei planetei Mercur .

Dintre toate planetele din sistemul solar , Mercur este cea cu cea mai pronunțată precesiune de periheliu , fiind cea mai apropiată de Soare.

Istorie

Animația precesiei periheliului lui Mercur (animație nu la scară).

Fenomenul este prezis de teoria gravitației universale a lui Isaac Newton , dar Urbain Le Verrier a fost primul care a descoperit că această planetă avansează mai repede decât prevede teoria însăși: observațiile arată că longitudinea periheliului, adică suma longitudinii nodul ascendent și argumentul periheliului, crește cu 5600 "( secunde de arc ) în fiecare secol. Figura prezisă teoretic, luând în considerare interacțiunea cu celelalte planete este în loc de 5557" / secol, cu o diferență de 43 "aprox.

Au fost propuse mai multe soluții pentru rezolvarea acestei probleme:

  • Le Verrier în 1859 [1] [2] a propus existența unei ipotetice planete Vulcan , a cărei orbită ar fi internă cu cea a lui Mercur. Le Verrier aplicase aceeași metodă planetelor exterioare cu câțiva ani mai devreme, „descoperind” senzațional planeta Neptun fără a fi nevoie să o vadă.
  • Un satelit ipotetic al lui Mercur
  • Masă cu 10% mai mare pentru Venus
  • Non-sfericitatea Soarelui (gravitațional J2)
  • Modificări ale gravitației universale:

În 1919, Albert Einstein a anunțat că teoria relativității generale a prezis o precesiune a periheliului planetelor chiar și în absența interacțiunii dintre ele (în timp ce mecanica clasică prezice în acest caz că orbita este o elipsă fixă și imuabilă) și că magnitudinea acestei precesiuni pentru Mercur a corespuns abaterii observate.

Soluția lui Einstein

Einstein în 1921.

În relativitatea generală este posibil să se demonstreze că dacă derivata tensorului metric cu privire la o coordonată este zero (adică dacă metrica este ciclică în raport cu această coordonată), atunci derivata în raport cu spațiul propriu al vitezei patru Nu-i nimic. Trebuie subliniat faptul că teorema este valabilă doar pentru componentele covariante ale vitezei patru (adică derivata lui nu este neapărat nimic).

Prin fixarea mișcării în plan , metrica Schwarzschild nu depinde nici de timp, nici de unghi și, prin urmare, există două integrale ale mișcării, Și . De fapt, invarianța temporală este asociată cu o energie, în timp ce cea de rotație este asociată cu un moment unghiular.

În plus, fiind , ecuația poate fi scrisă prin creșterea constantă a indicilor

unde este denotă derivatul cu privire la și s-a pus singur .

De aici putem obține o ecuație diferențială pentru , de când exploatează regula Leibniz .

Apoi efectuați înlocuirea , într-un mod similar cu ceea ce se face de obicei pentru soluționarea problemei lui Kepler , obținem

pentru a compara cu ecuația newtoniană

Incidența termenului neliniar în comparație cu potențialul clasic reține, reintrând valoarea și înlocuirea a masa Soarelui ea raza orbitei lui Mercur, .

Aceasta înseamnă că este posibil să se trateze perturbabil acest termen.

S-a scris soluția ecuației clasice

adică

unde este este excentricitatea orbiei eliptice.

Apropiindu-se , ecuația relativistă devine

unde, valabil pentru Mercur , termenii din .

Din nou, constanta și de aceea poate fi neglijat și.

Rămâne

O soluție specială la această ecuație este dată de

prin urmare, luând în considerare și soluția ecuației omogene asociate, obținem

Această soluție poate fi rescrisă în mod convenabil ca

așa cum se poate verifica prin extinderea cosinusului și dezvoltarea prin .

În acest moment periheliul, sau minimul pentru corespunde maximului de , și se obține atunci când cosinusul este 1, adică dacă argumentul este egal cu pentru întreg. Deci vom avea

Perielii, prin urmare, nu se succed la distanțe unghiulare de , dar experimentează o precesiune .

În special (fiind )

Prin urmare, obținem o valoare de 0,1 secunde de arc pentru fiecare revoluție a lui Mercur: având în vedere faptul că anul lui Mercur durează 0,24 ani de pe Pământ, într-un secol recuperăm faimoasele 43 de secunde neprevăzute de teoria clasică.

După cum se poate deduce din expresia precesiunii, este invers proporțională cu semi-axa orbitei planetei: acest lucru explică de ce anomalia era apreciată la momentul formulării relativității generale doar pentru Mercur, care printre planetele din sistemul solar este deci raza orbitei este minimă.

Precesiunea periheliului lui Mercur este, prin urmare, considerată prima confirmare experimentală a teoriei relativității generale, chiar dacă explicații alternative au fost complet excluse mulți ani mai târziu.

Metoda de calcul

Definind k, constanta de gravitație gaussiană, din ecuație

unde este este mișcarea medie în radiani pe parcursul zilei solare medii a unui corp cu masă neglijabilă în comparație cu cea a Soarelui e este axa semi-majoră în unitățile astronomice .

Din 1938 este considerat și se definește pe sine raza orbitei perfect circulare a unui corp în jurul Soarelui cu masă neglijabilă cu timpul de revoluție . Prin urmare, putem exprima ca:

, unde este este ziua solară medie, egală cu aproximativ 86400 de secunde.

În mod tradițional, axele semi-majore ale orbitelor planetelor sunt raportate în raport cu , iar în cazul lui Mercur avem , Și ani (măsurători considerate constante la mai puțin de o parte în sus în ultimii ani)

Scriem formula avansării periheliului lui Mercur corectat de relativitatea generală folosind simbolurile anterioare:

Uniunea Astronomică Internațională prevede:

Așadar sunt de peste 100 de ani. [3]

Din 1919 până astăzi

Din 1919 până astăzi a existat o mare confuzie cu privire la valoarea precesiunii periheliului orbitei lui Mercur, întrucât pe parcursul întregului secol XX decât viteza luminii au fost măsurate cu precizie crescândă, influențând valoarea precesiunii și, în consecință, articole și manuale [3] . Pentru a avea o corespondență completă între prognoză și măsurarea experimentală, este necesar să se ajungă la sfârșitul anilor 1970, când a fost exclusă și o contribuție semnificativă la precesiunea prin asfericitatea Soarelui.

Notă

  1. ^ Le Verrier U., Théorie de movement de Mercure , Ann. Observ. imp., 1859, volumul 5, pp. 1-96.
  2. ^ U. Le Verrier (1859), Lettre de M. Le Verrier to M. Faye sur la théorie de Mercure et sur le mouvement du périhélie de cette planète , Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences (Paris), vol. . 49 (1859), pp. 379–383.
  3. ^ a b Valoarea reală a avansului periheliului lui Mercur , în Științe , 1986, pp. 39-41.

Bibliografie

  • Baum Richard și Sheehan William, În căutarea planetei Vulcan: Fantoma din Universul mecanic al lui Newton . Plenum Trade, New York. 1997.
  • Callahan James J., Geometria spațiului: o introducere la relativitatea specială și generală . Springer, New York. 1991.
  • Freundlich Erwin, Fundamentele teoriei gravitației a lui Einstein . Traducere din limba germană de Henry L. Brose. Cambridge University Press, Cambridge. 1920.
  • Preț Michael P., Rush William F., Contribuție non-relativistă la periheliul lui Mercur . American Journal of Physics 47 (6). 531-534. Iunie 1979.
  • Lorents HA, Einstein A., Minkowski H., Weyl H., Principiul relativității: o colecție de memorii originale despre teoria specială și generală a relativității . conținea „Fundamentul relativității generale”, de A. Einstein. Dover, New York. 1952.
  • Roseveare NT, Periheliul lui Mercur de la Leverriere la Einstein . Caledon Press, Oxford. 1982.
  • Stephani Hans, Relativitatea generală: o introducere în teoria câmpului gravitațional . Cambridge University Press, Cambridge. 1996.

linkuri externe