Vraag:
Is de zwaartekrachtswet van Newton in overeenstemming met de algemene relativiteitstheorie?
Justin L.
2010-11-03 04:17:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Met 'de zwaartekrachtwet van Newton' verwijs ik naar

De grootte van de zwaartekracht is evenredig met het product van de massa van de twee objecten en omgekeerd evenredig naar hun afstand in het kwadraat.

Geldt deze wet van aantrekking nog steeds onder de tensorvergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie?

Ik weet niet echt genoeg van wiskunde om in staat zijn om een ​​van de veldvergelijkingen van Einstein op te lossen, maar geldt Newtons basiswet van de grootte van aantrekkingskracht nog steeds?

Als het slechts benaderingen zijn, wat zorgt er dan voor dat ze verschillen?

Als je echt geïnteresseerd bent in dit spul, bekijk dan Carroll's boek "Spacetime and Geometry" voor een redelijk goede introductie van G.R. en de wiskunde erachter.
gerelateerd: http://physics.stackexchange.com/q/68067/4552
Zie mijn antwoord hier: http://physics.stackexchange.com/q/7781/ waar ik Poisson's vergelijking heb afgeleid van EFE als een benadering.
Zes antwoorden:
Marek
2010-11-17 23:40:33 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Eric's antwoord is niet echt correct (of in ieder geval niet volledig). Het vertelt je bijvoorbeeld niets over de beweging van twee vergelijkbaar zware lichamen (en dit probleem is inderdaad erg moeilijk in GR, in schril contrast met het geval van Newton). Dus laat me zijn uitspraken wat preciezer maken.

De juiste benadering is om de Newtoniaanse zwaartekracht te behandelen als een verstoring van de vlakke Minkowski ruimte-tijd. Men schrijft $ g = \ eta + h $ voor de metriek van deze ruimte-tijd ($ \ eta $ is de Minkowski-metriek en $ h $ is de verstoring die de kromming van de ruimte-tijd codeert) en lineariseren de theorie in $ h $. Door dit te doen verkrijgt men eigenlijk veel meer dan alleen de Newtoniaanse zwaartekracht, namelijk gravitomagnetisme, waarin men ook dynamische eigenschappen van de ruimte-tijd kan onderzoeken die niet in het Newtoniaanse beeld zijn opgenomen. In het bijzonder de voortplanting van gravitatiegolven.

Om de Newtoniaanse zwaartekracht te herstellen, moeten we nog een benadering maken. Realiseer je gewoon dat de Newtoniaanse zwaartekracht niet relativistisch is, d.w.z. het schendt de eindige lichtsnelheid. Maar als we aannemen dat $ h $ maar langzaam verandert en berekeningen maken, zullen we ontdekken dat de storingsmetriek $ h $ de Newtoniaanse veldpotentiaal $ \ Phi $ codeert en dat de ruimte-tijd precies zo gekromd is om de Newtoniaanse zwaartekracht. Of beter gezegd (vanuit het moderne perspectief): Newtoniaanse afbeelding is inderdaad een correcte, lage snelheid, bijna vlakke beschrijving van GR.

Eric Zaslow
2010-11-03 06:14:57 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ja, in de juiste limiet. De studie van geodetische beweging in de Schwarzschild-oplossing (die radiaal symmetrisch is) reduceert ruwweg tot Newtoniaanse zwaartekracht bij voldoende grote afstanden en lage snelheden. Om te zien hoe dit precies werkt, moet men specifieker naar de vergelijkingen kijken.

Wat is geodetische beweging precies en de Schwarzschild-oplossing? Sorry, ik heb niet echt veel achtergrond in de natuurkunde van na de negentiende eeuw.
De geodetische beweging zijn de banen. De Schwartzschild-oplossing vertegenwoordigt het zwaartekrachtveld in de vrije ruimte waar alle massa geconcentreerd is in een bolvormig gebied.
In feite, als ik me goed herinner, kun je uit de zwaartekrachtwet van Newton de Schwarzschild-straal (straal van de horizontale gebeurtenis) van de Schwarzschild-oplossing voor Einstein-vergelijkingen afleiden.
Het is vermeldenswaard dat "voldoende grote afstand" eigenlijk vrij klein is. Experimenten aan de Universiteit van Washington hebben aangetoond dat de zwaartekracht een inverse-kwadratische wet volgt voor scheidingen zo klein als ongeveer 50 micron (0,05 mm, aan de dunne kant van de diameter van een mensenhaar).
@Chad: de afstand waar Newton werkt hangt af van de massa, dus de juiste maat is de verhouding van de scheiding tot de Schwartschild-straal. De afwijkingen van de wet van Newton vallen als één over deze verhouding, dus zelfs als deze verhouding relatief groot is, zoals de baan van Mercurius, kun je door de eeuwen heen afwijkingen van Newton zien.
Sklivvz
2010-11-03 14:55:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Het grootste probleem hier is dit: Newton geeft ons formules voor een kracht, of een veld, als je wilt. Einstein geeft ons meer generieke vergelijkingen waaruit we gravitatieformules kunnen afleiden. In deze context moet men eerst een oplossing vinden voor de vergelijkingen van Einstein. Dit wordt weergegeven door een formule. Deze formule is wat wel of niet ongeveer gelijk zou kunnen zijn aan de wetten van Newton.

Dit gezegd hebbende, zoals elders beantwoord, is er één oplossing die sterk lijkt op die van Newton. Het is een zeer belangrijke oplossing die het veld in vrije ruimte beschrijft.

U kunt meer over deze formule vinden - in lingo is het een metriek, hier: http://en.wikipedia.org/ wiki / Schwarzschild_metric

Het feit dat het benaderingen zijn, komt fundamenteel voort uit verschillende factoren: het feit dat het invariante wetten zijn onder een aantal transformaties, maar meestal speciale relativiteitstheorie - met andere woorden, geen actie op afstand - is een grote.

joseph f. johnson
2012-01-17 13:02:00 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Alle vier de antwoorden zijn het erover eens dat ze « nee » zeggen. De wet van Newton is niet in overeenstemming met de algemene relativiteitstheorie. Maar alle vier de antwoorden wijzen erop dat de wet van Newton soms een redelijke benadering is en kan worden afgeleid uit de vergelijkingen van Eintein door enkele termen te negeren en enkele benaderingen te introduceren.

voix
2010-11-13 18:53:53 UTC
view on stackexchange narkive permalink

De zwaartekrachtswet van Newton is ook bij hoge snelheid consistent met de algemene relativiteitstheorie :)

Laten we de vergelijking van Newton voor energiebesparing bekijken voor vrije val vanuit de oneindigheid met beginsnelheid van het object gelijk aan nul:

$ \ large {mc ^ 2 = E- \ frac {GMm} {R}} $

of

$ \ large {mc ^ 2 = E- \ frac {R_ {g *}} {R} \; mc ^ 2} $ waarbij $ \ large {R_ {g *} = GM / c ^ 2} $

dus

$ \ large {E = mc ^ 2 \ left (1+ \ frac {R_ {g *}} {R} \ right) = mc ^ 2 \ left (\ frac {R + R_ {g *}} {R } \ right)} $

Nu

$ \ large {mc ^ 2 = E \; \ frac {R} {R + R_ {g *}} = E \ left (1- \ frac {R_ {g *}} {R + R_ {g *}} \ right)} $

en als resultaat

$ \ bf \ large { mc ^ 2 = E- \ frac {GM} {R + R_ {g *}} \; \ frac {E} {c ^ 2}} $

Vergelijken met

$ \ bf \ large {mc ^ 2 = E- \ frac {GMm} {R}} $

In de resulterende vergelijking wordt energie ($ E / c ^ 2 $) aangetrokken, niet massa ($ m $). Daarom is gravitationele roodverschuiving hetzelfde in Newton Gravity en in General Relativity (voor $ R >> R_g $).

Een kleine wijziging van de Newton-vergelijking beschrijft radiale beweging van een object op elke snelheid met differen t beginvoorwaarden op dezelfde manier als de algemene relativiteitstheorie. Niet alleen een vrije val van oneindig met een beginsnelheid gelijk aan nul.

$ \ bf \ large {E_1 \ left (1- \ frac {GM} {c ^ 2 (R_1 + R_ {gm} + R_ {gM})} \ right) = E_2 \ left (1- \ frac {GM} {c ^ 2 (R_2 + R_ {gm} + R_ {gM})} \ right)} $

En het heeft geen enkele singulariteit! Dus ik vind het leuk :)

@voix LaTeX-markup werkt hier, plaats de code gewoon tussen twee dollartekens, zoals $ E = mc ^ 2 $.
Einstein bewees $ E = mc ^ 2 $ (waardoor $ m $ overbodig werd en inderdaad, dit symbool wordt tegenwoordig anders gebruikt om * invariante massa * aan te duiden). Ik zie geen enkele wiskundige of fysieke inhoud in deze vergelijkingen (of meer precies één vergelijking zeven keer uitgeschreven).
@Marek, door $ E $ ik bedoel hier $ E = \ frac {mc ^ 2} {\ sqrt {1-v ^ 2 / c ^ 2}} $
@voix: dan is het nog minder logisch omdat $ E $ in je vergelijking slechts een som is van gravitatie-energie $ \ Phi $ en rustenergie $ mc ^ 2 $. Waar is de kinetische energie gebleven? Je kunt niet zomaar vergelijkingen maken. Bovendien is $ m $ in deze zin invariant (het hangt niet af van waar je ernaar kijkt) maar $ E $ is dat duidelijk niet (je kunt in je formule zien dat $ E $ afhankelijk is van $ v $). Dus je vergelijking voldoet ook niet aan de relativiteitswetten.
@Marek, beginvergelijking is de vergelijking van energiebesparing voor vrije val van oneindig met beginsnelheid van het object gelijk aan nul. Linkerkant - energie van rustobject op oneindig, rechterkant - volledige energie van object op $ R $ plus potentiële energie. In het geval van klassieke Newton (lage snelheid): $ 0 = mv ^ 2 / 2- \ frac {GMm} {R} $
De resulterende vergelijking van @Marek, maakt het mogelijk om dezelfde zwaartekracht roodverschuiving en radiale beweging van het object te berekenen met elke snelheid als de algemene relativiteitstheorie (voor $ R >> R_g $). En deze vergelijking is afgeleid van Newton Gravity-vergelijking. Dat is wat ik wil zeggen :)
@voix: oké, maar je moet expliciet specificeren dat de relatie alleen geldt in een heel specifiek geval en dat het een beetje toevallig is (er zijn meer toevallige overeenkomsten tussen GR en Newtoniaanse zwaartekracht). Bovendien zijn al je zeven vergelijkingen volledig equivalent, dus ik begrijp nog steeds niet waarom je ze hebt opgeschreven :-)
@Marek, in de beginvergelijking wordt massa ($ m $) aangetrokken, maar in de resulterende vergelijking - energie ($ E / c ^ 2 $). Dat verklaart waarom in Newton de zwaartekracht dezelfde gravitationele roodverschuiving is als in de algemene relativiteitstheorie. Mijn bedoeling was om dit te laten zien. En ik vind het niet erg dat een glimlach aan het begin van mijn antwoord niet genoeg is om het te begrijpen :)
@Marek, trouwens, een kleine wijziging van de Newton-vergelijking maakt het mogelijk om de consistentie met de algemene relativiteitstheorie uit te breiden: $ E_1 \ left (1- \ frac {GM} {c ^ 2 (R_1 + R_ {gm} + R_ {gM})} \ right ) = E_2 \ left (1- \ frac {GM} {c ^ 2 (R_2 + R_ {gm} + R_ {gM})} \ right) $ Deze vergelijking beschrijft de radiale beweging van een object ** met elke snelheid ** met verschillende beginvoorwaarden op dezelfde manier als de algemene relativiteitstheorie. Niet alleen een vrije val van oneindig met een beginsnelheid gelijk aan nul. En het heeft geen enkele singulariteit! Dus ik vind het leuk :)
@voix: Het is jammer dat je dit niet al in het antwoord hebt verduidelijkt. Omdat het dit verhaal op dit moment niet vertelt. In plaats daarvan zit het vol met vergelijkingen die (op het eerste gezicht) nergens op slaan. Ik denk dat het beter zou zijn als je gewoon het idee en de reden waarom het werkt, zou vermelden en de vergelijkingen helemaal zou weglaten.
@Marek, Ik heb enkele wijzigingen aangebracht :)
@voix: Ik denk nog steeds niet dat het antwoord geweldig is. Maar het is nu tenminste leesbaar en best interessant. Hoe dan ook, bedankt voor het verbeteren van het antwoord; Dat waardeer ik :-)
Hoe zit het met tangentiële snelheid?
@Anixx, De algemene relativiteitstheorie geeft tweemaal de Newtoniaanse waarde voor lichte buiging
-1: Kom op! De algemene relativistische vergelijking voor energiebesparing geldt, maar het heeft een aanvullende potentiële bijdrage die u niet in overweging nam. Het antwoord erboven geeft verkeerde formules, en ik weet niet waarom het überhaupt wordt gestemd.
In het Engels neemt het woord * consistent * het voorzetsel * met *, niet * onder * in elk geval.
@Ron Maimon, formules kloppen. Algemene relativiteitsformule $ \ large {E = \ frac {mc ^ 2} {\ sqrt {1-R_ {S} / R}}} $ wordt gereduceerd tot Newtoniaans (postNewtoniaans) $ \ large {E = \ frac {mc ^ 2} {1-R_ {S} / (2R)}} $ voor $ R >> R_S $
Helder Velez
2012-01-17 23:50:09 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Het kan zijn dat Gerber geen exacte verklaring kon geven voor zijn formule, 18 jaar vóór GR, over de opmars van het perihelium van Mercurius, zoals we kunnen zien op wiskundepagina's. Na het lezen van de fraaie uitleg op Lienard & Wiechert retarded potentials in het online boek van Hans de Vries, denk ik dat de behandeling van het onderwerp niet correct is in de wiskundepagina's.

Het lijkt erop dat dat Walter Orlov, 2011 een mooie manier is om uit te leggen waarom de formule van Gerber correct is om de baan van Mercurius te verklaren.

Het antwoord is dat ze wederzijds consistent zijn omdat de zwaartekracht van Gerber (post-Newtoniaanse behandeling met vertraagde potentialen) consistent is met observaties, hetzelfde als met de formulering van GR.

Voordat ik kan vragen 'Heb ik GR nodig om de observaties uit te leggen?' Ik moet er zeker van zijn dat Orlov het goed heeft gedaan.



Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 2.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...