由于天文学的研究对象多为自引力系统,自然少不了把位力定理作为
研究工具。不妨在此总结一下位力定理的天文用途,也算是方便自用吧。
关于位力定理的来源,在George W. Collins的The Virial Theorem in Stellar Astrophysics一书中讲得很清楚,拉格朗日和
雅可比关于N体问题的讨论可以算作是基础,明确提出则是克劳修斯的功劳。1870年夏天,克劳修斯在一次报告中提到了“系统的平均活力(vis viva)等于其维里(virial)”。换用现代语言,维里是合力F与
矢径的
标积平均值之半,即以无穷远为零势点之势能
绝对值之半;而活力是系统的总动能。之后,瑞利勋爵提出了位力定理的普遍形式,庞加莱、钱德拉塞卡、费米等人又对该定理作了进一步的发展。
关于位力定理的导出,可以将位力看作是系统
惯量的时间导数,再进一步对位力求导得出,当然也需要证明,对
稳定系统,惯量的二阶时间导数
平均值为0,过程也不算太麻烦。在天文学上,亦可由
流体静力学平衡条件推知,不过后一方法使用范围比较受限,具体过程可以参考Kippenhahn和Weigert的Stellar Structure and Evolution。需要特别注意的是,前面提供的
表达式仅限于理想
单原子气体,其他气体由于
绝热指数不同,故系数会有所变化。
在
量子力学中,当体系处于
定态下,关于平均值随时间的变化,有一个有用的定理,即位力(
virial)定理。
设粒子处于
势场V(r)中,则2T=r·▽V,其中T=p^2/2m是粒子动能,此式即位力定理。