广义相对论修正万有引力定律 广义相对论可以解释万有引力的本质

网友提问:

为什么广义相对论已经被证实了,我们的教材还是在学万有引力定律?

优质回答:

从两者的关系、易接受程度、优越性三个方面分别说一下万有引力存在的意义。

万有引力和广义相对论的关系

牛顿引力是广义相对论在弱场低速下的近似。尽管两者物理思想完全不同:牛顿将引力现象描述成力的效应,给出了万有引力方程,其实就是给出了质量分布如何决定周围空间中引力场强度的一个关系,即比如我知道一个星球的质量,我就可以求取周围任何一点的引力场强度。

广义相对论将引力现象描述成时空几何,认为引力现象并非什么力,而是时空几何,即时空曲率导致的,再说具体点,由于物质能量的存在,导致本来平直的时空形态弯曲了。但是万有引力论却作为广义相对论的近似理论存在。在弱场线性近似下,广义相对论的相关方程就可以退化为牛顿引力方程,万有引力论只是广义相对论取一阶线性近似的结果。

因此,从数学计算结果上,若在特殊条件,即时空弯曲程度不高的弱场近似下,两者对物体轨道的预言结果相差极小。因为,太阳系整个都可以说是弱场。这就好比人家问你体重多少,你只需回答60kg,不需要回答60.054926662166kg。

易接受程度

由于万有引力公式是一阶线性的,如下图所示,这对于刚开始接触的高中生以及大学生是比较容易理解和接收的。但是爱因斯坦的引力场方程是一个二阶非线性偏微分方程,数学上想要求得方程的解是一件非常困难的事。而且公式中包含黎曼张量、里奇张量、度量张量、能动张量、能动张量等众多抽象的数学概念。这对绝大多数的大学生的来说理解起来也是相当困难的。所以广义相对论理解计算起来要比万有引力要复杂的多。

两者的优越性

有不少人说,既然牛顿理论是广义相对论在弱场条件的近似,因此广义相对论比牛顿理论优越。其实这种说法不是很严谨。因为,推导广义相对论场方程的系数,本来就是采用牛顿近似。之所以相对论在弱场条件下退化为牛顿引力方程。因为本来推导场方程系数就采用了牛顿近似。

当然,相比于广义相对论,万有引力确实在工程上解释不了的地方。例如在万有引力定律提出大约两百年后,天文学家发现,水星环绕太阳运动的轨道进动存在异常,万有引力定律无法解释多余的进动。因为水星过于靠近太阳,受到的太阳引力作用最强,这在广义相对论中作为二阶无穷小项存在,这导致万有引力定律出现了偏差。但是这仅仅发生在少数情况下的极限状况。

总之:广义相对论并不能推翻万有引力,尽管在精度方面广义相对论要高于万有引力,但教材中的案例对两者的精度差异要求几乎可以忽略不计,加上后者理解起来要比前者要容易的多,所以教材选用万有引力是完全没有问题且有必要的。

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其他网友回答

这没什么问题啊,各管各的,有问题吗?

相对论被证实,并不代表万有引力是错误的啊,相对论可以看做是万有引力的补充,却不是替代,所以两者之间没有太多矛盾和对立的问题。

万有引力是描述宇宙中天体之间的通常状态下的相互力的关系,比如地球和月球之间的引力和运动,太阳和8大行星之间的引力和运动,还有我们发射卫星和飞船所要遵循的基本引力作用。这些都需要依靠万有引力作为基础,就算我们观测遥远的恒星和星系,在多数的情况下依然要依靠万有引力来进行计算。

所以,万有引力一直没有过时,也并没有错误,学习万有引力当然是需要的了。

而相对论,主要是描述物质在一些极端状态下的情况,比如在巨大引力体附近,在高速运动的状态下等,这时万有引力的描述就会出现误差,而且情况越极端,误差越明显。

比如水星进动问题,由于水星距离太阳过近,所以受太阳这个大引力体所导致的空间弯曲现象就明显了。在这个时候,用万有引力来计算就会出现误差,所以需要导入相对论。

你可以理解为万有引力和相对论是适合不同的环境中使用的,二者有交集,但并不矛盾。而作为万有引力,则更为普遍,所以在初中物理中就会接触到。而相对论应用少一些,且理解起来更难一些,所以需要在更高等的学习中才学到。

再举个例子,万有引力就像我们日常使用的米尺,而相对论就像更精密的卡尺,两者只是使用的环境不同而已,没有本质上的谁对谁错。

其他网友回答

说的好像万有引力理论是错误的似的……

其他网友回答

经典力学可以用乘法计算。

相对论要开平方根……

其他网友回答

经典力学是相对论力学在低速下的近似。在低速运动的情况下你用经典力学和相对论计算的结果的误差可以忽略。就像日常生活中你可以直接把1.0000001当成1。但两者的计算难度高了不知道多少倍。

只有高速运动(每秒几十几百公里)的情况下误差已经不能忽略了,这时候才需要用到相对论。

在天文学实际运用中,牛顿力学在计算金木水火土行星位置时是基本准确的。只有到寻找天王星海王星时才需要用到相对论。

所以高中阶段只需要学习牛顿力学。一是对一般人只需要用到牛顿力学,二是以高中生掌握的数学知识根本解决不了相关问题。就像你用小学数学解决不了微积分问题一样。

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