ORBITAL DYNAMICS · ACTION, CONSERVATION AND PRECESSION

轨道动力学:作用量、守恒量与进动

从空间拉伸与运动惯性的耦合建立作用量,连续推导守恒量、轨道方程和近日点进动,并联系实际轨道观测。

依据最终书稿 · 第二章

理论理论 · 框架内推导数学复核数学复核 · 条件性推导 · 正式复核中证据证据 · 待系统对账Canonical是状态、复核与来源

01行星运动怎样接入空间背景

行星反复靠近和远离中心天体时,为什么轨道的近日点会逐周转动?在 ASD 中,这个问题联系着两类空间响应:中心源建立静态、非均匀的纵向拉伸,运动物体及其周围的伴随场又形成方向性的惯性响应。轨道必须同时描述物体经过怎样的真实路径,以及这一联合结构怎样改变动量和能量。

这里把行星近似为内部状态保持不变的试验体,以 m0m_0 表示其质量参数,忽略自引力、形变和对中心源的反作用。ASD 用局域空间结构解释物质及其惯性;本页使用第二章已经规定的宏观动量与耦合关系,并不要求先把某个候选粒子图景当作已求得的稳定解。

中心源取静态、球对称、无电荷背景。记源质量为 MM,引力耦合为固定的 G0G_0,引力长度为 ℓg=G0M/c2\ell_g=G_0M/c^2。径向坐标 rr 由球面面积 4πr24\pi r^2 定义;它是面积半径,区别于沿径向累计的真实长度。在物质源外部且 r>2ℓgr>2\ell_g 的区域,采用 X=1−2ℓg/rX=1-2\ell_g/r、线膨胀系数 Ω=X−1/2\Omega=X^{-1/2} 及其倒数 Φ=X\Phi=\sqrt X。本页的 Φ\Phi 是无量纲空间状态量。

上游动力学从 LVE 的方向长度关系出发,另用惯性构成式规定各方向对总动量的权重,得到 p=m0γv\mathbf p=m_0\gamma\mathbf v,其中 γ=(1−v2/c2)−1/2\gamma=(1-v^2/c^2)^{-1/2} 表示运动空间结构的惯性增益。将功关系与静止能量归一化 E0=m0c2E_0=m_0c^2 接入,再按 p=∂L0/∂v\mathbf p=\partial\mathcal L_0/\partial\mathbf v 积分,得到自由拉格朗日量

L0(v)=−m0c21−v2/c2.\mathcal L_0(v)=-m_0c^2\sqrt{1-v^2/c^2}.

这一路径中的惯性权重、静止能量及普适质量归一化各有明确作用,详见动力学与能量。轨道计算要把这一自由运动关系放入中心源形成的空间背景。

02真实路径、局域速度与作用量

中心源的梯度选出径向,球面对称性联系两个切向方向。书稿采用径向真实长度 dℓr=Ω drd\ell_r=\Omega\,dr;面积半径已经给出球面弧长 r dφr\,d\varphi,不再给切向长度重复乘以 Ω\Omega。在轨道平面内,φ\varphi 为方位角,有

ASD-WEB-GRV-006
dℓs2=X−1dr2+r2dφ2d\ell_s^2=X^{-1}dr^2+r^2d\varphi^2

构成输入
径向长度律为构成输入;面积半径已确定切向弧长,不重复乘以 Ω。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.1 (2.25) · ASD-BOOK-ddbade997b45

空间拉伸也改变标准过程的特征波长及参考频率。用远场过程建立共同计数参数 tt,同类局域过程在 dtdt 内积累 dN=f0Φ dtdN=f_0\Phi\,dt 个周期,f0f_0 为远场参考频率。由真实长度与周期数定义的局域速度于是为 v∗=f0dℓs/dN=Φ−1dℓs/dtv_*=f_0d\ell_s/dN=\Phi^{-1}d\ell_s/dt,即

v∗2=r˙2X2+r2φ˙2X.v_*^2=\frac{\dot r^2}{X^2}+\frac{r^2\dot\varphi^2}{X}.

点号表示对 tt 求导。局域速度 v∗v_* 与参考坐标速度有不同的标定,必须先折算,再将它用于自由运动关系。

对于固定内部态,第二章另采用普适静态能量耦合:局域结构能量以 Φ\Phi 折算到共同参考,作用量增量为 L dt=L0(v∗)Φ dt\mathcal L\,dt=\mathcal L_0(v_*)\Phi\,dt。这是与标准过程响应相协调的构成输入,并非仅由周期计数推出。代入后得到

ASD-WEB-GRV-024
L=ΦL0(v∗)=−m0c2X−r˙2c2X−r2φ˙2c2\mathcal L=\Phi\mathcal L_0(v_*)=-m_0c^2\sqrt{X-\frac{\dot r^2}{c^2X}-\frac{r^2\dot\varphi^2}{c^2}}

构成输入
自由作用量之外,另行采用普适静态能量折算 L dt = L₀(v*) Φ dt。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.2 (2.27) · ASD-BOOK-ddbade997b45

作用量 S=∫L dtS=\int\mathcal L\,dt 汇集整条运动路径上的动力学关系,其驻值条件决定轨道。上式把真实路径对速度的影响与位置对参考能量的影响写在一起。X→1X\to1 时恢复自由运动;物体静止时,参考能量为 m0c2Φm_0c^2\Phi,其弱场增量为 m0Ψ+O(m0Ψ2/c2)m_0\Psi+O(m_0\Psi^2/c^2),其中 Ψ=c2(X−1)/2=−G0M/r\Psi=c^2(X-1)/2=-G_0M/r。牛顿势能因此与上游惯性使用同一质量和能量归一化。

03同一精度应保留哪些运动项

为看清这一作用量如何接近牛顿运动,记 U=G0M/r>0U=G_0M/r>0,所以 Ψ=−U\Psi=-U;再记参考坐标径向速度 vr=r˙v_r=\dot r、v2=r˙2+r2φ˙2v^2=\dot r^2+r^2\dot\varphi^2。这里的 vv 专指这一展开中的坐标速度大小,不是前节的 v∗v_*。在 U/c2≪1U/c^2\ll1、v2/c2≪1v^2/c^2\ll1 下,保留比牛顿项高一阶的完整修正,称为一阶后牛顿展开:

ASD-WEB-GRV-025
Lm0=−c2+v22+U+1c2(v48+Uv22+Uvr2+U22)+O(c−4)\frac{\mathcal L}{m_0}=-c^2+\frac{v^2}2+U+\frac1{c^2}\left(\frac{v^4}8+\frac{Uv^2}2+Uv_r^2+\frac{U^2}2\right)+O(c^{-4})

数学结果
最终式(2.27)在U/c²、v²/c²≪1下的网页1PN展开,不冒用最终式(2.28)的正则动量编号。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.2 (2.27)的网页1PN展开;不是最终式(2.28) · ASD-BOOK-ddbade997b45

这里保留的是最终式(2.27)的网页展开。最终书稿式(2.28)明确给出两个正则动量,不再将这一 1PN 级数标作原书式(2.28)。

展开使用 X−1=1+2U/c2+O(c−4)X^{-1}=1+2U/c^2+O(c^{-4}) 和 1−z=1−z/2−z2/8+⋯\sqrt{1-z}=1-z/2-z^2/8+\cdots。v4/8v^4/8 延续自由结构的惯性修正,Uv2/2Uv^2/2 与 Uvr2Uv_r^2 表示运动和空间拉伸的耦合,U2/2U^2/2 来自静态能量的下一阶变化。它们属于同一计算精度,不能只挑选其中一项修正牛顿轨道。

下面直接从未截断的作用量求守恒量与轨道形状,再在求近日点进动时作一阶近似,使背景、运动和近似阶数始终一致。

04从对称性得到能量与角动量

先将作用量根号内的量记为

ASD-WEB-GRV-026
D=X−r˙2c2X−r2φ˙2c2>0D=X-\frac{\dot r^2}{c^2X}-\frac{r^2\dot\varphi^2}{c^2}>0

定义关系
在本页声明的构成输入与适用范围内成立。书稿式号和网站 ID 分列。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.2 (2.29) · ASD-BOOK-ddbade997b45

D=X(1−v∗2/c2)>0D=X(1-v_*^2/c^2)>0 对应局域亚光速运动,使作用量为实数。背景没有优先方位,L\mathcal L 不显含 φ\varphi,其对应的正则角动量守恒。“正则”在这里指由作用量对速度求偏导定义的动量。除以 m0m_0,得到比角动量

ASD-WEB-GRV-027
j=1m0∂L∂φ˙=r2φ˙Dj=\frac1{m_0}\frac{\partial\mathcal L}{\partial\dot\varphi}=\frac{r^2\dot\varphi}{\sqrt D}

数学结果
在本页声明的构成输入与适用范围内成立。书稿式号和网站 ID 分列。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.2 (2.28)、(2.30) · ASD-BOOK-ddbade997b45

jj 的量纲是长度平方除以时间。由于 D\sqrt D 参与折算,不能在强场或高速计算中把它直接换成 r2φ˙r^2\dot\varphi。

静态背景使 L\mathcal L 不显含 tt,因而也有守恒的参考能量。先求径向动量 pr=∂L/∂r˙p_r=\partial\mathcal L/\partial\dot r,再以速度乘以相应动量并减去 L\mathcal L,即得到能量的勒让德变换:

ASD-WEB-GRV-028
pr=m0r˙XD,pφ=m0r2φ˙D,E=E∞m0c2=prr˙+pφφ˙−Lm0c2=XD.\begin{aligned}p_r&=\frac{m_0\dot r}{X\sqrt D},\qquad p_\varphi=\frac{m_0r^2\dot\varphi}{\sqrt D},\\\mathcal E&=\frac{E_\infty}{m_0c^2}=\frac{p_r\dot r+p_\varphi\dot\varphi-\mathcal L}{m_0c^2}=\frac X{\sqrt D}.\end{aligned}

数学结果
由最终式(2.27)对两个广义速度求导得(2.28),再作Legendre变换;D>0。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.2 (2.28)—(2.31) · ASD-BOOK-ddbade997b45

对同一根号分别按 r˙\dot r 和 φ˙\dot\varphi 求偏导,前者带出径向 X−1X^{-1},后者带出 r2r^2。因此最终式(2.28)的两个正则动量先由作用量得到,再共同进入式(2.31)的能量变换。

其中 pφ=m0jp_\varphi=m_0j,E∞E_\infty 表示归算到远场共同参考的能量,E=E∞/(m0c2)\mathcal E=E_\infty/(m_0c^2) 为无量纲常数。角动量和能量分别记录方位对称性与静态性;它们使轨道形状能够摆脱对运动计数参数的显式依赖。

05消去计数参数,得到轨道形状

用倒半径 u(φ)=1/ru(\varphi)=1/r 描述形状,并将撇号定义为对 φ\varphi 求导。由比角动量及链式法则,

ASD-WEB-GRV-029
u=1r,u′=dudφ,φ˙=jD u2,r˙=−jD u′u=\frac1r,\quad u^\prime=\frac{du}{d\varphi},\quad\dot\varphi=j\sqrt D\,u^2,\quad\dot r=-j\sqrt D\,u^\prime

数学结果
在本页声明的构成输入与适用范围内成立。书稿式号和网站 ID 分列。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.3 (2.32)—(2.33) · ASD-BOOK-ddbade997b45

将两个速度代入 DD 的定义,得到

D=X−j2Dc2X(u′)2−j2Dc2u2.D=X-\frac{j^2D}{c^2X}(u')^2-\frac{j^2D}{c^2}u^2.

先除以 DD,再乘以 XX,并用能量守恒中的 X2/D=E2X^2/D=\mathcal E^2,有

X=E2−j2c2(u′)2−j2Xc2u2.X=\mathcal E^2-\frac{j^2}{c^2}(u')^2-\frac{j^2X}{c^2}u^2.

整理得到径向运动的一阶积分:

ASD-WEB-GRV-030
(u′)2=c2j2(E2−X)−Xu2(u^\prime)^2=\frac{c^2}{j^2}(\mathcal E^2-X)-Xu^2

数学结果
在本页声明的构成输入与适用范围内成立。书稿式号和网站 ID 分列。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.3 (2.34) · ASD-BOOK-ddbade997b45

这里假定 j≠0j\ne0;纯径向运动应直接使用原作用量。对 φ\varphi 求导,在 u′≠0u'\ne0 处约去 2u′2u',再由轨道的光滑连续性延伸到近日点和远日点,得到

ASD-WEB-GRV-031
u′′=−c22j2dXdu−Xu−12u2dXduu^{\prime\prime}=-\frac{c^2}{2j^2}\frac{dX}{du}-Xu-\frac12u^2\frac{dX}{du}

数学结果
在本页声明的构成输入与适用范围内成立。书稿式号和网站 ID 分列。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.3 (2.35) · ASD-BOOK-ddbade997b45

记 μ=G0M\mu=G_0M,于是 X=1−2ℓguX=1-2\ell_gu、dX/du=−2ℓgdX/du=-2\ell_g。右侧三项依次成为 μ/j2\mu/j^2、−u+2ℓgu2-u+2\ell_gu^2、ℓgu2\ell_gu^2,相加便得

ASD-WEB-GRV-032
u′′+u=μj2+3ℓgu2,μ=G0M,ℓg=μ/c2u^{\prime\prime}+u=\frac{\mu}{j^2}+3\ell_gu^2,\quad\mu=G_0M,\quad\ell_g=\mu/c^2

数学结果
在本页声明的构成输入与适用范围内成立。书稿式号和网站 ID 分列。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.3 (2.36) · ASD-BOOK-ddbade997b45

牛顿项决定椭圆的基本尺度,3ℓgu23\ell_gu^2 随物体靠近中心源而增强。在当前面积半径表示中,系数 33 是同一作用量内两个位置相关贡献的合成,没有另加一项经验进动。这一形状方程在给定静态构成模型内成立,以下再提取弱场的一阶进动。

06径向往复为什么不再对应整周转角

忽略修正项时,轨道是开普勒椭圆:

ASD-WEB-GRV-033
u0=1+ecos⁡φporb,porb=j2μ=a(1−e2)u_0=\frac{1+e\cos\varphi}{p_{\mathrm{orb}}},\quad p_{\mathrm{orb}}=\frac{j^2}{\mu}=a(1-e^2)

数学结果
在本页声明的构成输入与适用范围内成立。书稿式号和网站 ID 分列。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.3 (2.37) · ASD-BOOK-ddbade997b45

aa 为半长轴,ee 为偏心率,porbp_{\rm orb} 为椭圆的半通径;porb=a(1−e2)p_{\rm orb}=a(1-e^2) 在零级椭圆上成立。取 ℓg/porb≪1\ell_g/p_{\rm orb}\ll1,令 u=u0+δuu=u_0+\delta u,只在修正项中使用零级解:

ASD-WEB-GRV-034
δu′′+δu=3ℓgporb2(1+2ecos⁡φ+e2cos⁡2φ)\delta u^{\prime\prime}+\delta u=\frac{3\ell_g}{p_{\mathrm{orb}}^2}(1+2e\cos\varphi+e^2\cos^2\varphi)

数学结果
在本页声明的构成输入与适用范围内成立。书稿式号和网站 ID 分列。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.3 (2.38) · ASD-BOOK-ddbade997b45

用 cos⁡2φ=(1+cos⁡2φ)/2\cos^2\varphi=(1+\cos2\varphi)/2 分解右侧。常数项调整平均尺度,二倍频项产生有界形变;与零级径向往复同频的 6ℓgecos⁡φ/porb26\ell_ge\cos\varphi/p_{\rm orb}^2 则逐周累积。由

(d2dφ2+1)(φsin⁡φ)=2cos⁡φ,\left(\frac{d^2}{d\varphi^2}+1\right)(\varphi\sin\varphi)=2\cos\varphi,

求出累积项,再与缓慢转动的椭圆作一阶展开比较:

ASD-WEB-GRV-035
δusec=3ℓgeporb2φsin⁡φ,u≃1+ecos⁡[(1−κ)φ]porb,κ=3ℓgporb\delta u_{\mathrm{sec}}=\frac{3\ell_ge}{p_{\mathrm{orb}}^2}\varphi\sin\varphi,\quad u\simeq\frac{1+e\cos[(1-\kappa)\varphi]}{p_{\mathrm{orb}}},\quad\kappa=\frac{3\ell_g}{p_{\mathrm{orb}}}

数学结果
在本页声明的构成输入与适用范围内成立。书稿式号和网站 ID 分列。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.3 (2.39)—(2.41);旋转椭圆为一阶匹配 · ASD-BOOK-ddbade997b45

这里 κ\kappa 是无量纲的方位漂移系数。相邻近日点的方位差为 2π/(1−κ)2\pi/(1-\kappa),保留一阶即 Δϖ=2πκ+O(κ2)\Delta\varpi=2\pi\kappa+O(\kappa^2),得到每周进动

ASD-WEB-GRV-036
Δϖ=6πG0Ma(1−e2)c2+O ⁣(ℓg2porb2)\Delta\varpi=\frac{6\pi G_0M}{a(1-e^2)c^2}+O\!\left(\frac{\ell_g^2}{p_{\mathrm{orb}}^2}\right)

数学结果
κ 仅知一阶;展开 2π/(1−κ) 不构成完整二阶进动推导。
书稿来源:最终合订稿 · 第二章 §四.3 (2.42) · ASD-BOOK-ddbade997b45

物体从远日点进入更强拉伸区域时,路径尺度、局域速度与惯性响应共同变化;离开近日点时又连续调整。径向完成一次往复所需的方位角因此超过 2π2\pi,近日点沿公转方向前进。ℓg/porb→0\ell_g/p_{\rm orb}\to0 时恢复闭合开普勒轨道;严格圆轨道没有独立近日点,近圆情形可比较径向与方位运动的频率。

07怎样进入观测,怎样界定计算范围

书稿使用太阳引力参数 μ⊙≃1.3271244×1020 m3s−2\mu_\odot\simeq1.3271244\times10^{20}\,\mathrm{m^3s^{-2}}、水星 a≃5.79×1010 ma\simeq5.79\times10^{10}\,\mathrm m、e≃0.2056e\simeq0.2056,得到中心场贡献每周约 0.10350.1035 角秒、每儒略世纪约 43.043.0 角秒。实际星历还要同时拟合其他行星摄动、太阳多极矩和观测链路;这一中心场数值不是完整实测残差。参数参考见 JPL,观测关系见 GRV-EXP-004。

书稿采用的完整静态作用量与 Schwarzschild 外部作用量数学同形,这一比较是在 ASD 的空间长度、惯性和能量耦合已经构成之后进行的。因此相同条件下的进动再现不能独立确认两者的物理解释。求解更高阶轨道也不会因阶数提高而自动产生 ASD 独有差值。

上述 U2/c2U^2/c^2 属于完整一阶后牛顿作用量,不能据此把进动公式称为完整二阶结果。只继续展开 2π/(1−κ)2\pi/(1-\kappa) 会遗漏同阶的轨道修正。非退化轨道研究仍需先确定完整模型是否产生不可被参数重定标吸收的差值。

本页范围不含多体、自引力、辐射反作用及旋转强场。S301 案例目前缺少完整输入数据、拟合和残差,保留数据条件约束;不能据本页的形式关系给出该天体的拟合结论。

本页目录
STATUS & REVIEW
理论状态理论 · 框架内推导DERIVED
数学复核数学复核 · 条件性推导 · 正式复核中CONDITIONAL
总体证据状态证据 · 待系统对账CONSISTENT证据按实验矩阵逐项记录;Canonical 表示正式来源,不等同于实验已证明。
Canonical ASD是 · 正式理论基线第二章 · 宏观构成理论
Mathematical Review Note

结果以尺度、路径及耦合构成输入为条件;数学结果再现与微观闭合分别记录。

查看正式复核项
实际采用来源、条件与旧版关系

§四.1—3 (2.25)—(2.42)

保留完整连续解释;实际采用最终第二章的对应构成、结果与边界

本页采用范围的必要条件

  • 固定G₀;孤立静态球对称无电荷外部场
  • 面积半径、真实长度和参考光程分别定义
  • 弱场摄动、远区慢旋转和边界统计各自有独立条件

尚待处理的具体来源问题

  • 微观源匹配、动态强场及边界态完整动力学仍开放

原文定位: p0682 · p0694 · p0698 · p0701 · p0703 · p0705 · p0715 · p0717 · p0719 · p0730 · p0732 · p0779

书稿 SHA-256: ddbade997b45913248e588953b1d27ccb9c7c206c3c8d992d3aef2364a64836e

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清单用于核对来源身份,不是完整书稿。采用该来源不提高证据等级,也不新增转载许可。

保留为历史的原来源

FND-3dde8d8e081d · Chapter 2 / 第二章 §III, §IV.1–3, (2.24b)–(2.42), pp. 10–14

PREF-125df9543371 · 序章.pdf
125df9543371f89656a2c29d552e1166e5edcc9ff5f6ec1ef1e438c7688d6ec5

CH1-46d43c8c39bf · 第一章(2).pdf
46d43c8c39bfd47f06ad699a6780e1142adc14bdd3520e2d5603d37a696cd9e9

CH2-f9598318d123 · 第二章-ASD理论-修订书稿 (2).pdf
f9598318d123c1f85a7d720af9cecbed8392e0b399910e3f9bfb675d49494709

RELATIONSHIP INDEX

在框架中,找到本页的位置。

这里索引物理输入与研究关系;每一条数学推导的完成状态仍以正文为准。

RESEARCH LEDGER

与本页相关的版本记录

SOURCE & SCOPE

第二章 · §四.1—3 (2.25)—(2.42)

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CITATION & SOURCE FILE

ASD: 轨道动力学:作用量、守恒量与进动. ASD-GRV-ORBITAL-DYNAMICS. Version 1.0.0; 2026-10-24. https://asd-physics.org/theory/gravity/orbital-dynamics. §四.1—3 (2.25)—(2.42). Source ASD-BOOK-ddbade997b45.

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