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      Reissner-Nordstr?m時(shí)空下試驗(yàn)粒子的進(jìn)動(dòng)研究

      2021-05-13 03:15:50李松遠(yuǎn)林文斌
      關(guān)鍵詞:哈密頓進(jìn)動(dòng)水星

      李松遠(yuǎn),林文斌

      (南華大學(xué) 數(shù)理學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

      0 引 言

      廣義相對(duì)論解釋了水星的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問題,這也是檢驗(yàn)廣義相對(duì)論正確性的三個(gè)著名現(xiàn)象[1-4]之一。廣義相對(duì)論的創(chuàng)立不僅可以對(duì)引力的理解提供新的見解,也是現(xiàn)代宇宙學(xué)[1]的基礎(chǔ)理論。通過計(jì)算太陽(yáng)系其他行星對(duì)水星的擾動(dòng)影響,牛頓力學(xué)計(jì)算出每百年531角秒的歲差,而觀測(cè)得出的歲差預(yù)測(cè)值是每百年574角秒。這個(gè)差是由Urbain Le Verrier在1859年的觀察所得。他猜想可能是位于水星以內(nèi)的一顆小行星對(duì)水星的引力導(dǎo)致這個(gè)差距,但是這個(gè)行星一直沒有找到。有科學(xué)家提出,可能是因?yàn)樗前l(fā)出黃道光的物質(zhì)對(duì)水星產(chǎn)生影響[5],但這并不能解釋其它行星類似的進(jìn)動(dòng)差。愛因斯坦第一次對(duì)試驗(yàn)粒子在Schwarzschild時(shí)空下的運(yùn)動(dòng)研究,通過對(duì)小參數(shù)r的冪展開被積函數(shù),并在展開式中只保留線性項(xiàng),得到了水星進(jìn)動(dòng)的公式[5]。研究行星進(jìn)動(dòng)時(shí),人們的關(guān)注點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)的頻率而非軌道細(xì)節(jié),處理這樣的問題時(shí),作用角變量將會(huì)是很有效的工具[6]。作用角變量是一組正則坐標(biāo),應(yīng)用作用角變量,可以先不求解運(yùn)動(dòng)方程,就能得到振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的頻率。在哈密頓力學(xué)中,作用角變量法也可應(yīng)用于攝動(dòng)理論,特別是用于決定緩漸不變量。應(yīng)用作用角變量法可以得到試驗(yàn)粒子在Schwarzschild時(shí)空下近圓軌道和橢圓軌道的進(jìn)動(dòng)[7]。本文利用作用角變量法給出了試驗(yàn)粒子在帶電荷的黑洞[8]附近即Reissner-Nordstr?m(R-N)時(shí)空下近圓軌道進(jìn)動(dòng)的表達(dá)式。

      1 時(shí)空背景和運(yùn)動(dòng)方程

      R-N度規(guī)[9]為:

      dτ2=f(r)dt2-f(r)-1dr2-r2dθ2-r2sin2θdφ2

      (1)

      其中

      (2)

      因該時(shí)空為球?qū)ΨQ,考慮無(wú)自旋試驗(yàn)粒子處于該時(shí)空下動(dòng)力學(xué)完備微分方程組[5]為:

      (3)

      (4)

      (5)

      其中h和E為常數(shù)。

      2 R-N時(shí)空中粒子的運(yùn)動(dòng)方程

      由式(5)可得:

      (6)

      (7)

      其中E1為粒子能量,于是可將式(6)寫為:

      (8)

      由式(8)可以選擇拉格朗日量為:

      (9)

      (10)

      其中ψ為廣義坐標(biāo)r和φ,可以得出:

      (11)

      將式(9)帶入式(11)中可得到:

      (12)

      (13)

      由式(3)知,可取C=h,則上述兩方程為:

      (14)

      (15)

      式(15)與式(5)兩邊對(duì)τ求導(dǎo)得到的結(jié)論一致,且式(14)與式(3)等價(jià),因此,當(dāng)式(12)中積分常數(shù)取為h時(shí),所選的拉格朗日量是合理的。

      3 哈密頓-雅可比方程和粒子的作用角變量

      通過式(9),可將廣義動(dòng)量[6]表示為:

      (16)

      哈密頓量可表示為:

      (17)

      因哈密頓量H不顯含τ,于是應(yīng)用哈密頓-雅可比方法可將哈密頓量的主函數(shù)寫為:S=-E1τ+W(r,φ),W(r,φ)為特征函數(shù),哈密頓-雅可比方程為:

      (18)

      對(duì)W進(jìn)行變量分離,即

      W=W1(r)+W2(φ)

      (19)

      于是

      (20)

      因?yàn)棣諡楣茴D函數(shù)中的循環(huán)坐標(biāo),所以

      (21)

      其中α為一常數(shù),所以式(20)可以寫成:

      (22)

      于是作用變量可以寫成:

      Jφ=∮Pφdφ=∮αdφ=2πα

      (23)

      (24)

      可將式(24)寫成

      (25)

      4 近圓軌道下的進(jìn)動(dòng)

      (26)

      當(dāng)粒子在半徑為R的圓軌道上時(shí),上式左邊對(duì)R的導(dǎo)數(shù)也必須為零,所以

      (27)

      解得

      (28)

      (29)

      (30)

      將上述兩式代入式(25)得

      (31)

      積分上、下限分別為R-δ和R+δ。令

      (32)

      于是式(31)可寫成

      (33)

      其積分結(jié)果為[6]:

      (34)

      (35)

      利用式(35)解出E1為

      (36)

      代入式(23)可得

      (37)

      解得運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)頻率分別為:

      由式(14)可知2πh=Jφ,于是

      (40)

      (41)

      (42)

      代入式(28)后泰勒展開為:

      (43)

      式(43)與M.Heydari-Fard等人[10]的研究在考慮黑洞自旋為0時(shí)的結(jié)論一致。

      5 結(jié) 論

      本文根據(jù)R-N度規(guī)和該時(shí)空下無(wú)自旋試驗(yàn)粒子的完備運(yùn)動(dòng)微分方程組給出了試驗(yàn)粒子的運(yùn)動(dòng)方程,推導(dǎo)出了該粒子的哈密頓-雅可比方程。利用試驗(yàn)粒子的哈密頓-雅可比方程得出了處于近圓軌道下試驗(yàn)粒子的作用角變量,根據(jù)試驗(yàn)粒子的作用角變量得出了經(jīng)過一個(gè)周期后的進(jìn)動(dòng)表達(dá)式,并與相關(guān)近似解做了比較。

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