π值在不同曲率下得到的值不一樣,但不代入π值又怎麼計算出空間曲率?如果計算曲率需要π,計算π又需要先知道曲率,這不變成迴圈引用嗎?
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1 # 火星一號
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2 # 天澤方圓之楊春順
空間沒有不同曲率,曲率只是人類唯心思想的產物,是人類主觀對宇宙大自然客觀幾何的故意歪曲。因此圓周率在那裡都是相同的!
確實,圓周率的數值在不同曲率的彎曲空間中是不一樣的。在歐幾里得幾何中,也就是在平直空間中,圓的周長與直徑之比是恆定的常數——圓周率π,這是一個無理數,為3.1415926…。但在非歐幾何中,圓周率就不是一個常數。
非歐幾何中的圓周率根據愛因斯坦的廣義相對論,我們並非生活在歐氏空間中。由於空間中存在物質和能量,這會引發空間彎曲。質量密度越高的物體,所造成的空間彎曲程度越大,表現出的引力越強。
在彎曲的空間中,我們可以把圓的直徑定義為連線圓上兩點的最大測地線距離。取圓的周長與直徑之比,結果不為歐氏幾何中的π,而且也不是一個常數,與空間曲率有關。
根據黎曼幾何,如果在曲率為正的空間中,例如,閉合的球體,圓周率會小於π,並且曲率越大,圓周率越小。另一方面,如果在曲率為負的空間中,例如,開放的馬鞍面或者雙曲面,圓周率會大於π。
事實上,還有比上述複雜得多的幾何學,圓周率取決於圓在空間中的方向。正因為如此,曲率是由張量來衡量的,而不是一個簡單的數字標量。在廣義相對論中,表示曲率的是裡奇張量。在平直時空中,裡奇曲率張量等於0。
既然圓周率與曲率有關,那麼,引力場方程中的π是常數嗎?該如何取值?如前所述,在彎曲空間中,圓的周長和直徑之比並非一個常數。如果要定義這種圓周率的符號,顯然需要引入一個張量符號,而不是像π這樣的標量符號。
事實上,引力場方程中的π就是數學中歐氏幾何的π,是一個完全確定的常數。在計算時,只要代入3.1415926…即可,無需考慮曲率,因為這裡的π不是因為空間曲率而引入的。
那麼,引力場方程中為什麼會出現π呢?從數學上可以證明,在弱場的情況下,上述的引力場方程可以退化成牛頓引力方程。牛頓的萬有引力定律公式如下:
根據高斯定律,牛頓引力方程的泊松方程如下:
為了讓引力場方程的弱場近似與萬有引力定律的形式保持一致,需要把愛因斯坦引力常數κ(愛因斯坦張量與應力-能量張量的比值)定義為如下的形式:
這樣,可以讓引力場方程在弱場的情況下直接轉變為萬有引力定律,兩種引力理論中的萬有引力常數G都是通用的。
當然,也可以重新定義常數G,讓比例係數κ中的π消失。只是這樣做,會使得引力場方程和萬有引力定律的轉換需要繞個彎子,導致兩者之間的聯絡沒有那麼直接和明確。
由於弱場極限滿足高斯定律,而這會涉及到球的面積,所以必然會引入π。其實牛頓引力方程可以寫成這樣F=G"Mm/(4πr^2),其中G"=4πG。
總結π的存在是為了讓引力場方程在弱場下變成牛頓引力方程的形式F=GMm/r^2。如果不這樣,愛因斯坦場方程經過弱場近似處理之後,得到的牛頓引力方程的分母中會出現π,不是我們所熟悉的形式,這樣還需要重新定義G。