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伯特蘭定理

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提示:本条目的主题不是伯特蘭-切比雪夫定理
約瑟·伯特蘭

經典力學裏,伯特蘭定理闡明,只有兩種位勢可以給出閉合軌道[1]

其中,是徑向座標,是正值常數。假若物體從某位置移動,經過一段路徑後,又回到原先位置,則稱此路徑為閉合軌道

1687年,物理泰斗艾薩克·牛頓在巨著《自然哲學的數學原理》裏發表的萬有引力定律,解釋了為甚麼行星繞著太陽的公轉運動會遵守克卜勒定律。在這之後,許多科學家開始研究,當行星的運動稍許偏離了這軌道的時候,可能會發生的狀況?其中一個問題為:軌道是否仍舊是閉合的?但是,經過多年的探討,科學家都無法給出合理的解答。一直要等到1873年,法國數學家約瑟·伯特蘭發表伯特蘭定理,才正確地解析這問題。對於經典天體力學研究,這定理非常的重要;在宇宙遙遠的那一邊,萬有引力的性質是否仍舊保持不變?伯特蘭定理給予實驗者一個精確的方法,來測試萬有引力的平方反比性質。

在現代物理學裏,理論物理學家發現,由於廣義相對論效應,重力勢軌道是非閉合的。天文學家作實驗觀測到,水星繞著太陽公轉的橢圓軌道,其近拱點呈緩慢進動狀態。所以,當涉及廣義相對論的領域,伯特蘭定理不成立。

前論[编辑]

所有吸引性連心力都可以產生圓形的公轉軌道;這圓形軌道當然是閉合軌道;其形成的唯一條件是連心力恰巧地與離心力等值;後者決定了維持某圓形半徑所需的角速度。本篇文章不研究非連心力。一般而言,非連心力不會產生圓形的公轉軌道。

採用極坐標,一個移動於連心勢的粒子,其拉格朗日量

其中,是粒子質量,分別表示對於時間的導數。

這粒子的拉格朗日方程式

由於角坐標顯性地跟拉格朗日量無關,是個可略坐標,其共軛動量角動量守恆,是個常數:

將角動量的方程式代入徑向拉格朗日方程式,可以得到一個的二次微分方程式

假設軌道是圓形軌道,方程式左手邊第一個項目是零,則如同期待的,連心力等值於離心力

對於時間的導數與對於角變數的導數之間關係為

將這公式代入,可推導出一個跟角度有關,跟時間無關的軌道方程式:

設定變數,改換方程式的變數為,同時將方程式兩邊乘以,可以得到一個常係數非齊次線性全微分方程式

導引[编辑]

如同前面所說,給予粒子適當的初始速度,任何連心力都能產生標準圓形軌道。可是,假設給予粒子某徑向速度,則這些軌道可能不穩定(穩定在這裏定義為長久地公轉於同一條軌道),也可能不閉合。本段落會證明,穩定的閉合軌道只發生於平方反比連心勢或徑向諧振子勢(一個必要條件)。下一個段落會證明,這些位勢的確會產生穩定的閉合軌道(一個充分條件)。

為了簡化標記,設定

(1)

其中,是連心力函數。

則軌道方程式為

如果要得到半徑為的圓形運動軌道,必要條件是軌道方程式左邊第一項等於零,方程式變為

思考對於標準圓形運動軌道的變數微擾,函數泰勒級數

將此展開示代入軌道方程式:

設定常數的解答為標準圓形運動軌道):

(2)

取至的1次方:

必須是個非負數;否則,軌道的半徑會呈指數方式遞增。一階微擾解答為

其中,振幅是個積分常數。

假若這軌道是閉合軌道,則必須是有理數。繼續運算,從方程式(1),取對於的導數:

這方程式對於任意值都必須成立,因此可以將認定為函數的參數。用符號來代替

將方程式的變數換回為

這意味著作用力必須遵守冪定律

代入方程式 (1) , 的一般形式為

(3)

假設實際軌道與圓形有更大的差別(也就是說,不能忽略函數的泰勒級數的更高次方項目),則可以用傅立葉級數來展開

因為高頻率項目的係數太小,傅立葉級數只取至項目。方程式 (2)也只取至的三次方。注意到的數量級為,超小於的數量級為,超小於。將上述傅立葉級數代入方程式 (2),匹配方程式兩邊同頻率項目的係數。這樣,可以得到一系列方程式:

(4)
(5)
(6)

對於的微分:

(7)
(8)

將方程式(7)、(8)代入方程式(4)、(6):

(9)
(10)

再將方程式 (7)、(8)、(9)、(10)代入方程式 (5),經過一番運算,可以得到伯特蘭定理的重要結果:

解答是標準圓形軌道。只有平方反比連心勢 ()與徑向諧振子勢 ()能夠造成穩定的,閉合的,非圓形的公轉軌道。

平方反比力(克卜勒問題)[编辑]

平方反比連心力給出的連心勢,像重力勢或靜電勢,以方程式表示為

處於這種連心勢的粒子,其一般軌道方程式寫為

其解答為軌道函數

其中,是橢圓軌道的離心率是相位差,是一個積分常數。

這是焦點位於原點的圓錐曲線的一般方程式。當時,這軌道對應於圓形軌道; 當時,這軌道是橢圓形軌道;當時,這軌道是拋物線軌道;當時,這軌道是雙曲線軌道。

離心率與粒子能量的關係為

所以,當時,這軌道是圓形軌道; 當時,這軌道是橢圓形軌道;當時,這軌道是拋物線軌道;當時,這軌道是雙曲線軌道。

徑向諧振子[编辑]

為了方便解析這問題,採用直角坐標。勢能可以寫為

處於徑向諧振子位勢的粒子,其拉格朗日量

這粒子的拉格朗日方程式為

其中,是振動頻率

常數必須為正值;否則,粒子會朝著無窮遠飛離。這些微分方程式的解答為

其中,分別為x、y、z方向的振幅,分別為其相位

由於上述方程式經過整整一周期後,會重複自己,軌道解答是閉合軌道。

牛頓旋轉軌道定理[编辑]

牛頓旋轉軌道定理表明,對於一個感受到線性作用力或平方反比作用力的移動中的粒子,假設再增添立方反比力於此粒子,只要因子有理數,則粒子的軌道仍舊是閉合軌道。根據牛頓旋轉軌道定理的方程式,增添的立方反比力

其中,是粒子原本的角動量,是粒子的質量。

所以,

由於是有理數,可以寫為分數;其中,都是整數。對於這案例,增添立方反比力使得粒子完成圈公轉的時間等於原本完成圈公轉的時間。這種產生閉合軌道的方法不違背伯特蘭定理,因為,增添的立方反比力與粒子的原本角動量有關。

參閱[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ Bertrand, J. Théorème relatif au mouvement d'un point attiré vers un centre fixe. C. R. Acad. Sci. 1873, 77: 849–853. 
Goldstein, Herbert. Classical Mechanics 3rd. United States of America: Addison Wesley. 1980: pp. 89–92. ISBN 0201657023 (English). 
Grandati, Yves; Bérard, Alain, Inverse problem and Bertrand's theorem, American Journal of Physics, August 2008, 76 (8): pp. 782–787 
Tikochinsky, Yoel, A simplified proof of Bertrand's theorem, American Journal of Physics, December 1988, 56 (12): pp. 1063–1157 
Zarmi, Yair, The Bertrand theorem revisited, American Journal of Physics, April 2002, 70 (4): pp. 446–449