베르트랑의 정리
1. 개요
베르트랑의 정리는 중심력 하에서 입자의 궤도가 닫히기 위한 조건을 제시하는 정리이다. 이 정리에 따르면, 닫힌 궤도를 갖는 중심력은 역제곱 힘 법칙(예: 중력)과 방사형 조화 진동자 포텐셜의 두 가지 경우뿐이다. 이 정리는 궤도의 안정성을 분석하고, 특정 힘 법칙이 궤도에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
| 이름 | 베르트랑의 정리 |
|---|---|
| 분야 | 고전역학 |
| 내용 | 중심력 하에서 유계 궤도를 갖는 모든 유한 퍼텐셜은 안정적인 원형 궤도에 해당하며, 닫힌 궤도를 생성하는 퍼텐셜은 역제곱 퍼텐셜과 후크 퍼텐셜뿐이다. |
| 관련 인물 | 조제프 베르트랑 |
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궤도 -
궤도면
궤도면은 인공위성과 발사체의 궤도를 결정하는 중요 요소로, 지구 중력의 비구형성으로 인해 회전하며, 발사 시점은 목표 궤도면과 발사 기지의 교차 시간에 따라 결정된다. -
궤도 -
다체 문제
다체 문제는 상호작용하는 여러 물체의 운동을 다루는 문제로, 특히 중력적으로 상호작용하는 천체들의 운동을 예측하는 문제가 대표적이며, 삼체 문제부터는 해석적 해를 구하기 어려워 섭동 이론이나 수치 해석 등의 방법이 활용된다. -
고전역학 -
천체역학
천체역학은 중력에 의해 지배되는 천체의 운동을 다루는 학문으로, 케플러 운동 법칙, 섭동 이론, 다체 문제 등을 포함하며, 뉴턴의 만유인력 법칙과 해석역학을 기반으로 발전하여 우주 탐사 및 행성 형성 연구에 기여한다. -
고전역학 -
해밀토니언 (양자역학)
양자역학에서 해밀토니언은 계의 총 에너지를 나타내는 연산자로서, 고전역학의 해밀토니안에서 유래하며 슈뢰딩거 방정식을 통해 계의 시간적 진화를 결정하고, 그 고유값은 허용된 에너지 준위를 나타낸다.
2. 유도
모든 인력 중심력은 자연스럽게 원형 궤도를 생성할 수 있다. 유일한 요구 사항은 중심력이 정확히 구심력과 같아야 하며, 이는 주어진 원형 반경에 필요한 각속도를 결정한다. 비중심력(즉, 반경뿐만 아니라 각 변수에 의존하는 힘)은 일반적으로 원형 궤도를 생성하지 않으므로 여기서는 무시된다.
질량 인 입자가 중심력 에서 움직이는 반경 에 대한 운동 방정식은 운동 방정식으로 주어지며, 다음과 같다.
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여기서 이고, 각운동량 는 보존된다. 예를 들어, 왼쪽의 첫 번째 항은 원형 궤도에서는 0이고, 가해지는 안쪽 힘 은 예상대로 구심력 요건 과 같다.
각운동량의 정의에 따라 독립 변수를 에서 로 변경할 수 있다.
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시간에 독립적인 새로운 운동 방정식을 제공한다.
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이 방정식은 변수 을 변경하고 양변에 를 곱하면 준선형이 된다 (또한 Binet 방정식 참조).
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위에 언급했듯이, 모든 중심력은 적절한 초기 속도가 주어지면 원형 궤도를 생성할 수 있다. 그러나 약간의 방사형 속도가 도입되면 이러한 궤도는 안정적이지 않거나(즉, 무기한 궤도에 남아 있음) 닫히지 않을 수 있다(정확히 동일한 경로로 반복적으로 돌아옴). 여기서는 안정적이고 정확하게 닫힌 비원형 궤도에 대한 필요 조건이 역제곱 힘 또는 방사형 조화 진동자 포텐셜임을 보여준다. 다음 섹션에서는 이러한 두 가지 힘 법칙이 안정적이고 정확하게 닫힌 궤도를 생성함을 보여준다.
를 다음과 같이 정의한다.
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여기서 는 방사형 힘을 나타낸다. 반경 에서 완벽한 원형 운동에 대한 기준은 왼쪽의 첫 번째 항이 0이 되는 것이다.
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여기서 이다.
다음 단계는 완벽한 원형 궤도로부터의 작은 섭동 에서 에 대한 방정식을 고려하는 것이다. 오른쪽에 있는 함수는 표준 테일러 급수로 확장될 수 있다.
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이 확장을 에 대한 방정식에 대입하고 상수 항을 빼면 다음이 생성된다.
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다음과 같이 작성할 수 있다.
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여기서 는 상수이다. 는 음수가 아니어야 한다. 그렇지 않으면 궤도의 반경이 초기 반경에서 기하급수적으로 벗어난다. (해결책 은 완벽한 원형 궤도에 해당한다.) 오른쪽을 무시할 수 있는 경우(즉, 작은 섭동의 경우) 해는 다음과 같다.
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여기서 진폭 은 적분 상수이다. 궤도가 닫히려면 가 유리수여야 한다. 더 나아가, 가 연속적으로 변경될 수 없으므로 모든 반경에 대해 동일한 유리수여야 한다. 유리수는 서로 완전 분리되어 있다. 방정식과 함께 의 정의를 사용하면
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이는 의 모든 값에 대해 유지되어야 하므로,
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이는 힘이 멱법칙을 따라야 함을 의미한다.
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따라서 는 일반적인 형식을 가져야 한다.
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원형에서 보다 일반적인 편차(즉, 의 테일러 전개에서 고차 항을 무시할 수 없는 경우)의 경우 는 푸리에 급수로 확장될 수 있다. 예를 들어,
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이를 방정식에 대입하고 동일한 주파수에 속하는 계수를 동일하게 만들고 가장 낮은 차수의 항만 유지한다. 아래에서 보듯이 과 는 보다 작고 의 순서이다. 및 모든 추가 계수는 최소 의 순서이다. 원형 궤도에 접근함에 따라 가 모두 보다 더 빨리 사라져야 하므로 이는 의미가 있다.
:(u_0)}{4\beta^2},
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항에서 다음을 얻는다.
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마지막 단계에서는 과 의 값을 대입했다.
방정식과 을 사용하여 에서 평가된 의 2차 및 3차 도함수를 계산할 수 있다.
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이러한 값을 마지막 방정식에 대입하면 베르트랑의 정리'의 주요 결과가 생성된다.
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따라서 안정적인 닫힌 비원형 궤도를 생성할 수 있는 유일한 포텐셜은 역제곱 힘 법칙()과 방사형 조화 진동자 포텐셜()이다. 솔루션 은 위에 언급했듯이 완벽한 원형 궤도에 해당한다.
2.1. 고전장 포텐셜
역제곱 힘 법칙, 예를 들어 중력 또는 정전기적 위치 에너지의 경우, 퍼텐셜은 다음과 같이 쓸 수 있다.
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궤도 u(θ)는 일반적인 방정식으로부터 유도될 수 있다.
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이 방정식의 해는 상수 와 간단한 사인파의 합이다.
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여기서 e (이심률)과 θ0 (위상 오프셋)는 적분 상수이다.
이것은 원점을 초점으로 갖는 원뿔 곡선의 일반적인 공식이며, e = 0은 원, 0 < e < 1은 타원, e = 1은 포물선, e > 1은 쌍곡선에 해당한다. 이심률 e는 전체 에너지 E와 관련이 있다. (라플라스-룽게-렌츠 벡터 참조).
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이 공식들을 비교해 보면 E < 0은 타원에, E = 0은 포물선에, 그리고 E > 0은 쌍곡선에 해당한다는 것을 알 수 있다. 특히, 완벽한 원 궤도의 경우 이다.
2.2. 조화 진동자
반경 방향 조화 진동자 포텐셜 하에서 궤도는 성분 r = (x, y, z)로 나타낼 수 있다. 포텐셜은 와 같이 쓸 수 있다.
질량 m인 입자에 대한 운동 방정식은 세 개의 독립적인 오일러 방정식으로 주어진다.
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여기서 상수 은 양수여야 한다. 그렇지 않으면 입자는 무한대로 날아가 버린다. 이들 단순 조화 진동자 방정식의 해는 모두 유사하다.
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여기서 양의 상수 Ax, Ay 및 Az는 진동의 진폭을 나타내고, 각 φx, φy 및 φz는 그들의 위상을 나타낸다. 결과 궤도 r(t) = [x(t), y(y), z(t)]는 한 주기 가 지난 후 정확히 반복되기 때문에 닫혀 있다. 또한 시스템은 진폭과 위상의 작은 섭동이 전체 궤도에 상응하는 작은 변화를 일으키기 때문에 안정적이다.
3. 해 궤도
조화 진동자 포텐셜 의 경우, 해 궤도는 리사주 곡선이다.
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이는 주기 의 닫힌 곡선이다. 역제곱 포텐셜 의 경우, 유계인 해 궤도는 타원이다.
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이는 닫힌 곡선이 되며, 는 장반경, 는 이심률, 는 근점 편각이다.
4. 응용
허버트 골드스타인은 자신의 교과서에서 많은 천체가 닫힌 곡선을 그린다는 관측 사실만으로 만유인력이 역제곱 법칙을 따른다는 것을 결론지을 수 있다고 지적했다. 조화 진동자형 상호 작용은 원거리에서 힘이 무한히 커지기 때문에 만유 인력의 법칙으로는 부적절하며, 베르트랑의 정리에 따르면 남은 가능성은 역제곱 법칙으로 한정되기 때문이다.