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LRL矢量

王朝百科·作者佚名  2010-08-31  
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在经典力学里,拉普拉斯-龙格-楞次矢量(简写为 LRL 矢量)主要是用来描述,当一个物体环绕着另外一个物体运动时,轨道的形状与取向。典型的例子是行星的环绕着太阳公转。在一个物理系统里,假若两个物体以万有引力相互作用,则 LRL 矢量必定是一个运动常数,不管在轨道的任何位置,计算出来的 LRL 矢量都一样;也就是说, LRL 矢量是一个保守量。更广义地,在开普勒问题里,由于两个物体以有心力相互作用,而有心力遵守反平方定律,所以,LRL 矢量是一个保守量。

氢原子是由两个带电粒子构成的。这两个带电粒子以遵守库仑定律的静电力互相作用.静电力是一个标准的反平方有心力。所以,氢原子内部的微观运动是一个开普勒问题。在量子力学的发展初期,薛定谔还在思索他的薛定谔方程的时候,沃尔夫冈·泡利使用 LRL 矢量,关键性地导引出氢原子的发射光谱。这结果给予物理学家很大的信心,量子力学理论是正确的。

在经典力学与量子力学里,因为物理系统的某一种对称性,会产生一个或多个对应的保守值。 LRL 矢量也不例外。可是,它相对应的对称性很特别;在数学里,开普勒问题等价于 一个粒子自由地移动于 四维空间的三维球;所以,整个问题涉及四维空间的某种旋转对称。

LRL矢量

拉普拉斯-龙格-楞次矢量是因皮埃尔-西蒙·拉普拉斯,卡尔·龙格,与威尔汉·楞次而命名。它又称为拉普拉斯矢量,龙格-楞次矢量,或楞次矢量。有趣的是,LRL 矢量并不是这三位先生发现的!这矢量曾经被重复地发现过好几。它等价于天体力学中无量纲的离心率矢量。发展至今,在物理学里,有许多各种各样的 LRL 矢量的推广定义;牵涉到狭义相对论,或电磁场,甚至于不同类型的有心力。概论在一个物理系统里,在任意保守的有心力的作用下(参阅保守力),一个粒子的运动,都会拥有至少四个运动常数;能量与角动量 的三个分量皆为运动常数。粒子的轨道被限制于一个平面。粒子的动量 和从力中心点的位置到粒子位置的位移 粒子的运动平面垂直于角动量 。用方程表示,L*R=0 。

LRL 矢量 ,也肯定地包含于粒子的运动平面。可是,只有当有心力遵守反平方定律时, 才是常数矢量。对于别种有心力, 不是常数矢量,其大小与方向都会改变。假若有心力近似地遵守反平方定律,则 的大小近似常数,而方向会缓慢地转动。对于所有的有心力,我们可以定义一个广义 LRL 矢量,但是,这广义矢量通常并没有解析解,假若有,也会是一个非常复杂的函数。历史在重要的开普勒问题中, LRL 矢量 是一个运动常数,时常用来描述天文轨道,例如行星的运动。然而,物理学家对它并不熟悉,这很可能是因为与动量与角动量相比,它比较难以被直觉地理解内涵的物理。因此,在过去三个世纪里,它曾被重复地发现过许多次。1710 年,在一个不著名的意大利学刊里,雅各布·赫尔曼最先发表了关于 LRL 矢量的论文。在导引一个轨道方程的过程中,他计算出 LRL 矢量的大小, 是保守的;并且导引出此案例与椭圆轨道离心率的关系。稍后,赫尔曼把这结果告诉约翰·伯努利,他的恩师。伯努利又更进一步地导引出 LRL 矢量的方向。这样,LRL 矢量得到了它的现代形式。所以,不容质疑地,LRL 矢量是赫尔曼和伯努利共同发现的。

在那个世纪末尾,皮埃尔-西蒙·拉普拉斯又重新地发现了 LRL 矢量的保守性;稍微不同地,他的导引使用的是分析方法,而不是几何方法。十九世纪中叶,威廉·卢云·哈密顿导引出全等的离心率矢量。他用离心率矢量来证明,在反平方有心力作用下,速端曲线显示出,粒子动量矢量的头部呈圆形移动。二十世纪初,约西亚·威拉德·吉布斯,应用矢量分析,导引出同样的矢量。后来,卡尔·龙格将吉布斯的导引,纳入自己所写的一本广受欢迎的,关于矢量的,德文教科书内,成为其中的一个例题。1924 年,威尔汉·楞次发表了一篇关于氢原子的旧量子论的论文。在这篇论文中,他引用龙格所写的教科书的例题为参考。1926 年, 沃尔夫冈·泡利用 LRL 矢量与矩阵力学,而不是薛定谔方程,来导引氢原子的光谱。这杰作说服了大多数物理学家,使他们觉得量子力学理论是正确的。

 
 
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