為什麼廣義相對論和牛頓引力之間對彈跳球預測有差異?

2020-12-17 騰訊網

為什麼對彈跳球的預測會在廣義相對論和牛頓引力之間產生分歧?

從概念上講,這是一件簡單而有趣的問題,你可以在這裡看,如果在理論物理網站上的文章讓你感到震驚又失望的話。

通篇看來,作者所做的就是將二十世紀物理學中的兩個引人入勝的現象放在一起。

在低速和引力場弱的情況下,牛頓物理學和廣義相對論的預測非常接近,產生的動力學也非常接近,甚至可以說是相同。

在某些類型的系統(混沌系統)中,很小的差異會在帶來未來的動力學中意想不到的巨大差異。

將這兩種現象放在一起,中間就有一條明顯的探索之路。為什麼我們不能找到一個混沌系統,即使在低速和弱重力場中,其動力學也能區分廣義相對論和牛頓物理學預測之間的微小差異?

這正是作者:Shiuan-Ni Liang和Boon Leong Lan所做的,他們聲稱發現了這樣一個桌面系統,當動力學變得混亂時,可以區分廣義相對論和牛頓物理學的預測。這很有意思!

但是物理網站上關於這個簡單概念的文章到處都是,看起來好像該論文聲稱與廣義相對論相矛盾(相反)。更糟糕的是,在看完了作者在文中說過的一些與上下文無關的、沒有邏輯的引文後,這篇文章的結尾卻讓人感到崩潰又不合邏輯:「進一步探索:雙重相對論」。(雙重相對論是一種投機理論,與本文中的任何事物都零關聯。)

那麼,廣義相對論或牛頓物理學中哪一項是正確的?該論文的作者再清楚不過了:當預測不同時,必須使用一般相對論力學而不是特殊相對論力學(牛頓力學)來正確地研究弱重力系統(低速弱重力系統)的動力學。

通常在混沌系統的研究中,這些小的差異是初始條件的差異:也就是說,保持動力學定律不變,初始條件稍做改變。但是,你同樣可以問,如果保持初始條件不變,稍微改變動力學定律,起作用的又會是什麼呢?

牛頓的萬有引力定律指出,每個粒子都會以一種與質量的乘積成正比,而與它們的中心之間的距離的平方成反比的力,吸引宇宙中的其他所有粒子。物理定律是艾薩克·牛頓(Isaac Newton)所謂歸納推理從經驗觀察得出的。 它是古典力學的一部分,在1687年7月5日首次出版的牛頓的《自然哲學原理》(「原理」)中闡述。當牛頓於1686年4月向皇家學會贈送未出版文本的第一冊時,羅伯特·胡克 聲稱牛頓從他那裡獲得了平方反比定律。

用今天的話說,定理就是:每個點的質量都受到沿與兩個點相交的線的作用力吸引。力與兩個質量的乘積成正比,與它們之間的距離的平方成反比。

廣義相對論(GR,又稱廣義相對論或GTR)是阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)於1915年發表的引力幾何理論,也是現代物理學中對引力的最新描述。 廣義相對論概括了狹義相對論,並完善了牛頓萬有引力定律,提供了對引力的統一描述,引力是時空或時空的幾何特性。 特別是,無論存在什麼物質和輻射,時空的曲率與物質和輻射的存在直接關係到能量和動量。 該關係由愛因斯坦場方程(偏微分方程組)指定。

廣義相對論的某些預測與古典物理學的預測有很大不同,特別是關於時間的流逝,空間的幾何形狀,自由落體的運動以及光的傳播。這樣的差異還有比如:引力時間膨脹,引力透鏡,光的引力紅移和引力時間延遲。迄今為止,在所有觀測和實驗中都證實了相對論相對於古典物理學的預測。儘管廣義相對論不是唯一的相對論引力理論,但它是與實驗數據相一致的最簡單的理論。但是,仍然存在未解決的問題,最根本的問題是如何使廣義相對論與量子物理學定律相一致,以產生一個完整且自洽的量子引力理論。

翻譯:錢英俊

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.

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