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1 # 郭哥聊科學
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2 # 科普鮮事
你需要建立一個理論來預測這一點,同時也要正確地預測我們所擁有的所有其他關於重力的實驗資料。在廣義相對論中,平方反比定律不是一個基本假設。它是愛因斯坦場方程的一個推導結果,也是那個方程的一個近似解(因為重力在廣義相對論中不被視為力,所以“平方反比定律”只有在適當的近似下才有意義——在這種情況下是弱場,慢速運動極限)。從廣義相對論的角度看,你不能只改變平方反比定律而不改變其他一切。如果改變愛因斯坦場方程,這將改變廣義相對論的所有預測(沒有人想出如何做到這一點,在不使變化的預測與實驗不一致的情況下)。已經有其他理論提出修改平方反比定律,但沒有一個能與所有已測試的體系中廣義相對論的預測能力相匹。
你這是要累死哥的節奏,好吧。哥豁出去一把,咱們現在從愛因斯坦的廣義相對論出發,去推導牛頓近似。
從場方程推導運動方程還是算了,咱們就直接從運動方程開始吧。
1、由於引力場是弱場,所以我們有:
2、式子中右邊第一項是閔可夫斯基度規,而
3、引力場是靜態的,即
4、引力場空間是緩變的,即
5、粒子做低速運動
注意,在自然單位制下c=1。這些近似能把運動方程化成牛頓形式,所以稱上述簡化為牛頓近似。
我們利用上面的條件,略去高於一階的小量,聯絡可以化成
根據粒子低速運動條件,可以進一步簡化為
當m是不依賴於τ的常數(即粒子不分裂)時,由上面的式子我們可以得到
其中α為常數。代入上式我們得到
利用前式我們可以得到
由於
所以
在經典的萬有引力場中,牛頓第二定律可以寫成
其中φ為牛頓引力勢。比較可以知道:上面兩個式子是相同的,於是我們可以把廣義相對論的自由粒子運動方程,寫成經典力學中粒子在引力場中運動的牛頓方程。其中h00對應於牛頓引力勢
設無窮遠處引力場消失,φ=0,這個時候度規應回到閔可夫斯基度規,h00=0。可見上面式子中的常數為0,於是我們可以有
當引力場為靜態球對稱場是,源外的牛頓引力勢
其中G為萬有引力常數。弱場近似條件代入意味著
我們稱rg為星體的引力半徑,在討論黑洞的時候,這個就是黑洞的半徑。一般星體的引力半徑都比較小,比如太陽的引力半徑只有3公里,而太陽的真實物理半徑達到700,000公里。如果太陽星辰白矮星時候,物理半徑會縮小到70,000公里;如果太陽變成中子星,半徑會縮小到10公里。所以,太陽外部的引力場都可以看做是弱場,白矮星也可以看做是弱場;但是中子星和黑洞不行。
從上面的推導過程我們可以知道,雖然引力場中的牛頓方程僅僅適用於靜態、空間緩變的引力場中的低速質點,但對研究地球和太陽系的天體運動,已經是非常精確了。
擦擦汗,讓哥休息一下,20多年不推導公式了,累個半死。