Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В общей теории относительности и многих ее альтернативах постньютоновский формализм представляет собой вычислительный инструмент, который выражает (нелинейные) уравнения гравитации Эйнштейна в терминах отклонений низшего порядка от закона всемирного тяготения Ньютона . Это позволяет делать приближения к уравнениям Эйнштейна в случае слабых полей. Для повышения точности можно добавить члены более высокого порядка, но для сильных полей может быть предпочтительнее решать полные уравнения численно. Некоторые из этих постньютоновских приближений представляют собой разложения по малому параметру, который представляет собой отношение скорости вещества, формирующего гравитационное поле, к скорости света , которую в данном случае лучше назватьскорость гравитации . В пределе, когда фундаментальная скорость гравитации становится бесконечной, постньютоновское расширение сводится к закону тяготения Ньютона .

Параметризованный постньютоновский формализм или ППН формализм , версия этой формулировки , которые явно подробно параметры , в которых общая теория гравитации может отличаться от ньютоновской гравитации. Он используется как инструмент для сравнения ньютоновской и эйнштейновской гравитации в пределе, в котором гравитационное поле является слабым и создается объектами, движущимися медленно по сравнению со скоростью света. В общем, формализм PPN может применяться ко всем метрическим теориям гравитации, в которых все тела удовлетворяют принципу эквивалентности Эйнштейна (EEP). Скорость света остается постоянной в формализме PPN, и он предполагает, что метрический тензор всегда симметричен.

История [ править ]

Самые ранние параметризации постньютоновского приближения были выполнены сэром Артуром Стэнли Эддингтоном в 1922 году. Однако они имели дело исключительно с вакуумным гравитационным полем вне изолированного сферического тела. Кен Нордтведт (1968, 1969) расширил это понятие , включив в него семь параметров, в статьях, опубликованных в 1968 и 1969 годах. Клиффорд Мартин Уилл представил описание небесных тел с помощью напряженного непрерывного вещества в 1971 году.

Описанные здесь версии основаны на Wei-Tou Ni (1972), Will and Nordtvedt (1972), Charles W. Misner et al. (1973) (см. Gravitation (книга) ) и Will (1981, 1993) и имеют десять параметров.

Бета-дельта-запись [ править ]

Десять постньютоновских параметров полностью характеризуют поведение теории в слабом поле. Формализм оказался ценным инструментом при проверке общей теории относительности . В обозначениях Уилла (1971), Ни (1972) и Миснера и др. (1973) у них есть следующие значения:

это 4 на 4 симметричный метрический тензор с индексами и переходя от 0 до 3. Ниже, индекс 0 будет указывать направление времени и индексы и (идущий от 1 до 3) будет указывать пространственные направления.

В теории Эйнштейна значения этих параметров выбираются (1) для соответствия закону всемирного тяготения Ньютона в пределе скоростей и массы, приближающихся к нулю, (2) для обеспечения сохранения энергии , массы , импульса и углового момента , и (3) ), чтобы уравнения не зависели от системы отсчета . В этих обозначениях общая теория относительности имеет параметры PPN и

Обозначение альфа-дзета [ править ]

В более поздних обозначениях Уилла и Нордтведта (1972) и Уилла (1981, 1993, 2006) используется другой набор из десяти параметров PPN.

рассчитывается из

Смысл в том , что они , и измерить степень предпочтительных эффектов кадра. , , , И измерить провал сохранения энергии, импульса и углового момента.

В этих обозначениях общая теория относительности имеет параметры PPN

и

Математическая связь между метрикой, метрическими потенциалами и параметрами PPN для этого обозначения:

где суммируются повторные индексы. порядка потенциалов, таких как квадратная величина координатных скоростей материи и т. д. - вектор скорости системы координат PPN относительно средней системы покоя Вселенной. - квадратная величина этой скорости. тогда и только тогда , иначе.

Есть десять метрических потенциалов, , , , , , , , , и , один для каждого параметра ППН , чтобы обеспечить уникальное решение. 10 линейных уравнений с 10 неизвестными решаются путем инвертирования матрицы 10 на 10. Эти метрические потенциалы имеют такие формы, как:

что просто еще один способ записать ньютоновский гравитационный потенциал,

где - плотность массы покоя, - внутренняя энергия, приходящаяся на единицу массы покоя, - давление, измеренное в локальной свободно падающей системе отсчета, мгновенно сопутствующей с веществом, и - координатная скорость вещества.

Тензор энергии-напряжения для идеальной жидкости принимает вид

Как применить PPN [ править ]

Примеры процесса применения формализма PPN к альтернативным теориям гравитации можно найти в Will (1981, 1993). Это процесс из девяти шагов:

  • Шаг 1: Определите переменные, которые могут включать: (а) динамические гравитационные переменные, такие как метрика , скалярное поле , векторное поле , тензорное поле и так далее; (б) априорные геометрические переменные, такие как плоская фоновая метрика , космическая функция времени и так далее; (c) материя и переменные негравитационного поля.
  • Шаг 2: Установите космологические граничные условия. Предположите однородную изотропную космологию с изотропными координатами в системе покоя Вселенной. Полное космологическое решение может понадобиться, а может и не потребоваться. Вызов результатов , , , .
  • Шаг 3: Получить новые переменные из , с , или в случае необходимости.
  • Шаг 4: Подставьте эти формы в уравнения поля, оставив только те члены, которые необходимы для получения окончательного согласованного решения для . Замените источники материи на идеальный тензор напряжений жидкости.
  • Шаг 5: Решите для к . Предполагая, что это стремится к нулю вдали от системы, можно получить форму где - ньютоновский гравитационный потенциал и может быть сложной функцией, включающей гравитационную «постоянную» . Ньютонов метрика имеет вид , , . Работайте в единицах, в которых гравитационная «постоянная», измеренная сегодня вдали от гравитирующей материи, равна единице .
  • Шаг 6: Из линеаризованной версии полевых уравнений решения для к и к .
  • Шаг 7: Решите для к . Это самый запутанный шаг, связанный со всеми нелинейностями в уравнениях поля. Тензор энергии-импульса также необходимо разложить до достаточного порядка.
  • Шаг 8: Преобразование в локальные квазидекартовы координаты и стандартную шкалу PPN.
  • Шаг 9: Сравнивая результат для с уравнениями, представленными в PPN с параметрами альфа-дзета , считайте значения параметра PPN.

Сравнение теорий гравитации [ править ]

Таблицу, в которой сравниваются параметры PPN для 23 теорий гравитации, можно найти в « Альтернативах общей теории относительности # Параметрические постньютоновские параметры для ряда теорий» .

Большинство метрических теорий гравитации можно разделить на категории. Скалярные теории гравитации включают конформно плоские теории и стратифицированные теории с ортогональными во времени пространственными срезами.

В конформно-плоских теориях, таких как теория гравитации Нордстрёма, метрика задается этой метрикой и для этой метрики , что резко расходится с наблюдениями. В стратифицированных теориях, таких как теория гравитации Йилмаза, метрика задается этой метрикой и для нее , что также резко расходится с наблюдениями.

Другой класс теорий - это квазилинейные теории, такие как теория гравитации Уайтхеда . Для этих . Относительные величины гармоник земных приливов зависят от и , и измерения показывают, что квазилинейные теории не согласуются с наблюдениями за земными приливами.

Другой класс метрических теорий - биметрическая теория . Для всех это не ноль. Мы знаем это по прецессии вращения Солнца , что фактически исключает биметрические теории.

Другой класс метрических теорий - это скалярные тензорные теории , такие как теория Бранса – Дике . Для всего этого . Предел средств, который должен быть очень большим, поэтому эти теории выглядят все менее и менее вероятными по мере повышения экспериментальной точности.

Последний основной класс метрических теорий - это векторно-тензорные теории. Для всего этого гравитационная «постоянная» меняется со временем и не равна нулю. Эксперименты по лазерной локации Луны жестко ограничивают изменение гравитационной «постоянной» со временем , поэтому эти теории также выглядят маловероятными.

Есть несколько метрических теорий гравитации, которые не попадают в вышеуказанные категории, но имеют схожие проблемы.

Точность экспериментальных испытаний [ править ]

Границы параметров PPN из Will (2006) и Will (2014)

Уилл, CM (10 июля 1992 г.). «Сохраняется ли импульс? Тест в двоичной системе PSR 1913 + 16». Письма в астрофизический журнал . 393 (2): L59 – L61. Bibcode : 1992ApJ ... 393L..59W . DOI : 10.1086 / 186451 . ISSN  0004-637X .

‡ По материалам Will (1976, 2006). Теоретически [ необходимо разъяснение ] альтернативная модель гравитации может обойти эту границу, и в этом случае оценка взята из Ni (1972).

См. Также [ править ]

  • Альтернативы общей теории относительности # Параметрические постньютоновские параметры для ряда теорий
  • Линеаризованная гравитация
  • Параметр Пескина – Такеучи То же, что и PPN, но для электрослабой теории вместо гравитации.
  • Тесты общей теории относительности

Ссылки [ править ]

  • Эддингтон, А.С. (1922) Математическая теория относительности, Cambridge University Press.
  • Миснер, К.У., Торн, К.С. и Уиллер, Дж. А. (1973) Gravitation, WH Freeman and Co.
  • Нордтведт, Кеннет (1968-05-25). «Принцип эквивалентности для массивных тел. II. Теория». Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 169 (5): 1017–1025. DOI : 10.1103 / Physrev.169.1017 . ISSN  0031-899X .
  • Нордтведт, К. (1969-04-25). «Принцип эквивалентности массивных тел, включая энергию вращения и радиационное давление». Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 180 (5): 1293–1298. DOI : 10.1103 / Physrev.180.1293 . ISSN  0031-899X .
  • Уилл, Клиффорд М. (1971). «Теоретические основы для проверки релятивистской гравитации. II. Параметризованная постньютоновская гидродинамика и эффект Нордтведта». Астрофизический журнал . IOP Publishing. 163 : 611-628. DOI : 10.1086 / 150804 . ISSN  0004-637X .
  • Уилл, CM (1976). «Активная масса в релятивистской гравитации - Теоретическая интерпретация эксперимента Крейцера». Астрофизический журнал . IOP Publishing. 204 : 224-234. DOI : 10,1086 / 154164 . ISSN  0004-637X .
  • Уилл К.М. (1981, 1993) Теория и эксперимент в гравитационной физике, Cambridge University Press. ISBN 0-521-43973-6 . 
  • Уилл, К.М., (2006) Противостояние общей теории относительности и эксперимента, https://web.archive.org/web/20070613073754/http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2006-3/
  • Уилл, Клиффорд М. (11.06.2014). «Противостояние общей теории относительности и эксперимента» . Живые обзоры в теории относительности . ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 17 (1): 4. DOI : 10.12942 / lrr-2014-4 . ISSN  2367-3613 .
  • Уилл, Клиффорд М .; Нордтведт, Кеннет младший (1972). "Законы сохранения и предпочтительные системы отсчета в релятивистской гравитации. I. Теории предпочтительных систем отсчета и расширенный формализм PPN". Астрофизический журнал . IOP Publishing. 177 : 757. DOI : 10,1086 / 151754 . ISSN  0004-637X .