如果你曾經在極座標系下推導行星在牛頓引力下的方程,你會得到:
其中L和E分別是行星的角動量和能量,利用以下這個等式可以消去t:
可以得到軌道方程:
等式兩邊對θ進行微商,得到:
把1/r看成一個整體,我們就可以解出這個常規的微分方程,得到軌道方程。
廣義相對論中的行星軌道
廣義相對論中的能量守恆、角動量守恆與牛頓力學不同,此外還有一個四速歸一化條件:
其中我們採用了光速c=1的自然單位制度,τ是固有時。我們可以利用同樣的技巧消去dτ,等到方程:
同樣等式兩邊對θ進行微商,得到:
在天文學的精確測量之下,我們知道行星的軌道並不是像牛頓力學預測的那樣封閉的,在太陽系中水星的近日點進動效應最為顯著。每一百年水星的近日點進動5600'',扣除掉歲差和其它行星攝動的影響,牛頓力學預測的進動值與真實值還差43''。
等式2相比等式1,多了一個附加項3GM/r²,而這一項正是廣義相對論效應的體現,可以看成是牛頓理論的廣義相對論修正項。也正是有了這一項,讓我們可以解釋43''的差距。感興趣的同學可以自行解這個難度較大的非線性微分方程,然後就可以得到真正的軌道方程,代入資料就可以得到進動值。