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¿(Por qué) es necesario invocar gravedad newtoniana para fijar constantes de normalización en General de la relatividad?

Estoy estudiando el GR de Carroll libro. En el Capítulo 4 de la constante que aparece en la ecuación de Einstein es fijado por la necesidad de obtener la ecuación de Poisson en un marco Newtoniano.

En el capítulo 5 de la constante de la métrica de Schwarzschild es fijo invocando el débil campo de la métrica.

Entiendo que la ecuación de Einstein es construido, no derivados o demostrado, por lo que de alguna manera no tienen un motivo real para construir, pero tenemos que trabajar de otra forma. Aún así, uno esperaría GR a ser autónomo, entonces, ¿qué está pasando aquí? Es realmente necesario el uso de Newton resultados?

16voto

Marcin Puntos 11

No es. Puede el 100% de corrección de la constante gravitacional mediante experimentos. Una manera sencilla de ver esto es escoger un clásico de la caída libre de experimentar. Aquí la versión con sólo algunos sin nombre constante $\kappa$ donde

$$G_{\mu\nu} = \kappa T_{\mu\nu}$$

Si usted considerar a la tierra como una métrica de Kerr fuente, entonces, dejar de lado de momento angular (que es bastante pequeño), vamos a terminar con la métrica de Schwarzschild

$$ds^2 = -(1 - \frac{r_S}{r}) c^2 dt^2 + (1 - \frac{r_s}{r})^{-1} dr^2 + r^2 d\Omega^2$$

$r_s$ es el radio de Schwarzschild, algún parámetro de la métrica. Para calcular esto, se realiza el análisis de la Komar masa. Si vamos al 100% sin ningún definido las constantes de las teorías anteriores, vamos a escribir el Komar masa proporcional a una constante.

$$M = -\alpha \int_S dA n_\mu \sigma_\nu \nabla^\mu \xi^\nu$$

con $\xi$ normalizados, Matando a timelike vector (sólo tendremos que escoger $ c\partial_t$), $\sigma$ el vector normal a la superficie de Cauchy, y $n$ el vector normal a la superficie de la integración. La constante $\alpha$ está relacionado con la constante de $\kappa$ desde el Komar integral también por escrito en el plazo de la tensión tensor de energía

$$M = -\alpha \int_\Sigma R_{\mu\nu} n^\mu \xi^\nu = -\alpha \kappa \int_\Sigma (T_{\mu\nu} + \frac 12 T g_{\mu\nu}) n^\mu \xi^\nu dV$$

Nosotros realmente desea $M$ a ser de la misma dimensión que la de la masa. Desde $T$ tiene la dimensión de una densidad de energía, queremos $\alpha = \beta / c^2 \kappa $ para algunas constantes $\beta$.

Luego, recogiendo la superficie de la constante de $t$$r$$S$, obtenemos

$$M = -\alpha \int_S r^2 \sin \theta d\theta d\varphi \nabla^r\xi^t$$

$\nabla^r\xi^t$ tiene sólo distinto de cero plazo $c g^{rr} \Gamma^t_{rt}$, que es igual a $c g^{rr} g^{tt} g_{tt,r}/2 = -c r_S/2r^2 $, por lo que

$$M = -\alpha \int_S \sin \theta d\theta d\varphi c r_s = 8\pi c \alpha r_S$$

Podemos entonces escribir $r_S = M / 8\pi c \alpha = M \kappa / 8\pi \beta c$.

La geodésica ecuación de una puramente radial de movimiento será entonces $$c^{-2} \dot r^2 + (1 - \frac{r_S}{r}) = E^2$$

La expansión de la $r^{-1}$ plazo en torno a $R_\oplus$, el radio de la tierra, obtenemos

$$\frac{1}{r} = \frac{1}{R_\oplus} - \frac{r - R_\oplus}{R_\oplus^2} + \mathcal O(R_\oplus^{-3})$$

Esto le dará la ecuación, cortando el menor plazo,

$$c^{-2} \dot r^2 + \frac{r_S}{R_\oplus^2} r = E^2 - 1 + \frac{2r_S}{R_\oplus} $$

Si usted toma el buen tiempo derivativo,

$$c^{-3} \ddot r \dot r + 2 \frac{r_S}{cR_\oplus^2} \dot r= 0$$

o en otras palabras,

$$\ddot r = - 2 c^2 \frac{r_S}{ R_\oplus^2}$$

El clásico de la ecuación de la caída libre, que se puede comprobar experimentalmente. Si usted desea para menos clásica resultados, por supuesto, tendrás que resolver la ecuación geodésica correctamente, y creo que no se puede hacer analíticamente (simulaciones numéricas va a hacer allí).

Usted notará que esta ecuación tiene la dimensión correcta y firme. Podemos entonces volver de entrada la expresión de $r_S$

$$\ddot r = - 2 c^3 \frac{M \kappa}{8\pi \beta R_\oplus^2}$$

Creo que algunos $c$'s podría haberse perdido en el camino, pero se puede ver que, a nivel mundial, de vuelta, más o menos lo que estábamos buscando : la caída libre de un objeto depende de algunas constantes que, si se va a ordenar un poco todos los diversos constantes, resultaría ser $G$.

10voto

tparker Puntos 156

(En primer lugar, el punto de la terminología: en estos días "clásica" es generalmente usado para significar "no cuántico," y el clásico "gravedad" y "relatividad general" a menudo se utilizan indistintamente. Sería más estándar para referirse a la nonrelativistic límite de las que usted se refiere como "Newtoniano de la gravedad.")

Las ecuaciones de campo de Einstein (sin constante cosmológica) dicen que el de Einstein y el estrés-tensor de energía son proporcionales - no más y no menos. Lo que queremos que la constante proporcional a estar es totalmente de nosotros.

Si nos hubiéramos conocido GR cuando hemos desarrollado nuestro sistema de la física de las unidades, a continuación, se habría elegido la constante de proporcionalidad a ser $1$. En su lugar, por un accidente histórico, hemos elegido utilizar unidades definidas en términos de cosas arbitrarias como un particular platino bar sentado en la bóveda en París, y el tiempo en la Tierra tarda en girar. (Más exactamente, en las últimas décadas hemos redefinido las unidades en términos de verdadero cantidades físicas como la velocidad de la luz y los átomos de cesio, pero con extrañas constantes de proporcionalidad elegido para que coincida con la edad de la barra de platino y de rotación de la Tierra.)

Si decidimos mantener la masa, longitud y tiempo como separar las unidades de base (que nos impide la configuración de la constante de proporcionalidad a $1$), entonces la constante de proporcionalidad es simplemente un parámetro libre que sin duda puede ser medido directamente, sin referencia a la ley de Newton de la gravitación universal. Llamarlo $\kappa$.

Es un ejercicio útil para demostrar que en el nonrelativistic límite (un término que por supuesto debe ser cuidadosamente definido), la ecuación de Einstein implica que un nonrelativistic partícula de masa $M$ atrae a todos los demás nonrelavistic partículas hacia ella con una aceleración

$$|{\bf a}| = \frac{\kappa}{8 \pi} \frac{M}{r^2},$$

donde $r$ es la distancia a la partícula que se sienten atraídos. Esto es sólo la ley de Newton de la gravitación universal si dejamos $G = \kappa / (8 \pi)$. Este es un ejercicio útil en GR (y, por supuesto, fue crucial en la verificación de cordura antes de que tuviéramos directo pruebas experimentales de GR), pero el hecho de que el prefactor termina siendo $\kappa / (8 \pi)$ no es muy interesante e importante. (Por ejemplo, no es cierto en otros números de las dimensiones). Así es, en efecto, la ecuación de Einstein que determina la forma de la ley de Newton de la gravitación universal, no la otra manera alrededor.

La razón por la que suele establecer la constante de proporcionalidad igual a$8 \pi G$, en lugar de simplemente llamando a la es $\kappa$ o algo de nuevo se reduce a un accidente histórico - ya hemos tenido precisamente un medido constante con el derecho de unidades que estaba relacionado con la gravedad, por lo que sólo se reutiliza. Nada profundo allí.

6voto

Anzkji Puntos 11

Cuando desarrollamos una teoría, es necesario que se reduce a las teorías que se observa en ciertos regímenes. En este caso, debemos asegurarnos de que la teoría gravitacional derivadas de las ecuaciones de Einstein partido sea cual sea la teoría que tenemos en el límite de la lentitud de los cuerpos y campos gravitacionales débiles (es decir Newtoniana de la gravedad). Aquí es donde el factor de $8\pi G/c^4$ proviene de en las ecuaciones de Einstein.

Para responder a la carne de su pregunta, nosotros no esperar GR de ser auto-contenida. En cualquier teoría de acoplamiento de espacio-tiempo a la materia, tenemos que indicar qué tan fuerte este acoplamiento es. Las diferentes constantes de acoplamiento (es decir, diferentes de los valores de G) conducir a diferentes resultados cuantitativos de las mediciones en el límite Newtoniano. Para solucionar estos, nos basta con comparar los resultados que se obtienen a bajas energías a la baja de la energía límite de nuestra teoría. Esta es una increíble tema común en la física. Utilizamos las "sugerencias" de baja energía física para fijar los requisitos de alta energía de la teoría.

Es útil señalar que GR es relativamente único. Es un derivado de el postulado de que $G_{\mu\nu}\propto T_{\mu\nu}$ para algunos tensor $G$. Entonces, requerimos que $G$ contiene en la mayoría de los de segundo orden derivados de $g$, y que es covariantly conservadas (ya que el tensor de inercia de energía). De esta forma, las correcciones de las ecuaciones de Einstein a una constante de proporcionalidad, que volvemos a derivar de nuestros bajos de la energía de los experimentos.

Espero que esto ayudó!

0voto

accipehoc Puntos 8

Es realmente necesario el uso de resultados clásicos?

Por supuesto. Cualquier nueva teoría física debe replicar las teorías actuales en aquellas áreas donde los actuales teorías ya hace un trabajo muy bueno de predecir los comportamientos. Esto es cierto en la mecánica cuántica así.

Newtoniano de la gravedad predice comportamientos bastante bien en el límite de pequeñas densidades de grandes distancias, y pequeñas velocidades, con una muy pequeña diferencia de las observaciones con respecto a la órbita de Mercurio. La relatividad General tiene que explicar la cerca-Newtoniano comportamiento de los planetas exteriores y explicar esa pequeña discrepancia en la órbita de Mercurio. Lo hace tanto. La explicación de Mercurio de la precesión anómala es una consecuencia natural de la relatividad general. Pero la coincidencia de la cerca-Newtoniano comportamiento de los planetas exteriores, fue realizado por el diseño.

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