弹跳球(为什么弹跳球轨迹的预测在广义相对论和牛顿重力之间有差异？)

Posted 2023-05-25

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弹跳球(为什么弹跳球轨迹的预测在广义相对论和牛顿重力之间有差异？)

为什么对弹跳球的预测会在广义相对论和牛顿引力之间产生分歧？

从概念上讲，这是一件简单而有趣的问题，你可以在这里看，如果在理论物理网站上的文章让你感到震惊又失望的话。

通篇看来，作者所做的就是将二十世纪物理学中的两个引人入胜的现象放在一起。

在低速和引力场弱的情况下，牛顿物理学和广义相对论的预测非常接近，产生的动力学也非常接近，甚至可以说是相同。

在某些类型的系统（混沌系统）中，很小的差异会在带来未来的动力学中意想不到的巨大差异。

将这两种现象放在一起，中间就有一条明显的探索之路。为什么我们不能找到一个混沌系统，即使在低速和弱重力场中，其动力学也能区分广义相对论和牛顿物理学预测之间的微小差异？

这正是作者：Shiuan-Ni Liang和Boon Leong Lan所做的，他们声称发现了这样一个桌面系统，当动力学变得混乱时，可以区分广义相对论和牛顿物理学的预测。这很有意思！

但是物理网站上关于这个简单概念的文章到处都是，看起来好像该论文声称与广义相对论相矛盾（相反）。更糟糕的是，在看完了作者在文中说过的一些与上下文无关的、没有逻辑的引文后，这篇文章的结尾却让人感到崩溃又不合逻辑：“进一步探索：双重相对论”。（双重相对论是一种投机理论，与本文中的任何事物都零关联。）

那么，广义相对论或牛顿物理学中哪一项是正确的？该论文的作者再清楚不过了：当预测不同时，必须使用一般相对论力学而不是特殊相对论力学（牛顿力学）来正确地研究弱重力系统（低速弱重力系统）的动力学。

通常在混沌系统的研究中，这些小的差异是初始条件的差异：也就是说，保持动力学定律不变，初始条件稍做改变。但是，你同样可以问，如果保持初始条件不变，稍微改变动力学定律，起作用的又会是什么呢？

牛顿的万有引力定律指出，每个粒子都会以一种与质量的乘积成正比，而与它们的中心之间的距离的平方成反比的力，吸引宇宙中的其他所有粒子。物理定律是艾萨克·牛顿（Isaac Newton）所谓归纳推理从经验观察得出的。它是古典力学的一部分，在1687年7月5日首次出版的牛顿的《自然哲学原理》（“原理”）中阐述。当牛顿于1686年4月向皇家学会赠送未出版文本的第一册时，罗伯特·胡克声称牛顿从他那里获得了平方反比定律。

用今天的话说，定理就是：每个点的质量都受到沿与两个点相交的线的作用力吸引。力与两个质量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比。

广义相对论（GR，又称广义相对论或GTR）是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）于1915年发表的引力几何理论，也是现代物理学中对引力的最新描述。广义相对论概括了狭义相对论，并完善了牛顿万有引力定律，提供了对引力的统一描述，引力是时空或时空的几何特性。特别是，无论存在什么物质和辐射，时空的曲率与物质和辐射的存在直接关系到能量和动量。该关系由爱因斯坦场方程（偏微分方程组）指定。

广义相对论的某些预测与古典物理学的预测有很大不同，特别是关于时间的流逝，空间的几何形状，自由落体的运动以及光的传播。这样的差异还有比如：引力时间膨胀，引力透镜，光的引力红移和引力时间延迟。迄今为止，在所有观测和实验中都证实了相对论相对于古典物理学的预测。尽管广义相对论不是唯一的相对论引力理论，但它是与实验数据相一致的最简单的理论。但是，仍然存在未解决的问题，最根本的问题是如何使广义相对论与量子物理学定律相一致，以产生一个完整且自洽的量子引力理论。

翻译：钱英俊

参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

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