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为什么爱因斯坦的引力场方程中会出现圆周率

放大字体  缩小字体 2019-09-01 00:50:14  阅读:6220 作者:责任编辑NO。杜一帆0322

圆周率的数值在不同曲率的曲折空间中是不一样的。在欧几里得几许中,也便是在平直空间中,圆的周长与直径之比是稳定的常数——圆周率π,这是一个无理数,为3.1415926…。但在非欧几许中,圆周率就不是一个常数。

非欧几许中的圆周率

依据爱因斯坦的广义相对论,咱们并非生活在欧氏空间中。因为空间中存在物质和能量,这会引发空间曲折。质量密度越高的物体,所形成的空间曲折程度越大,表现出的引力越强。

在曲折的空间中,咱们能够把圆的直径界说为衔接圆上两点的最大测地线间隔。取圆的周长与直径之比,成果不为欧氏几许中的π,而且也不是一个常数,与空间曲率有关。

依据黎曼几许,假如在曲率为正的空间中,例如,闭合的球体,圆周率会小于π,而且曲率越大,圆周率越小。另一方面,假如在曲率为负的空间中,例如,敞开的马鞍面或许双曲面,圆周率会大于π。

事实上,还有比上述杂乱得多的几许学,圆周率取决于圆在空间中的方向。正因为如此,曲率是由张量来衡量的,而不是一个简略的数字标量。在广义相对论中,表明曲率的是里奇张量。在平直时空中,里奇曲率张量等于0。

已然圆周率与曲率有关,那么,引力场方程中的π是常数吗?该怎么取值?

如前所述,在曲折空间中,圆的周长和直径之比并非一个常数。假如要界说这种圆周率的符号,明显需求引进一个张量符号,而不是像π这样的标量符号。

事实上,引力场方程中的π便是数学中欧氏几许的π,是一个彻底确认的常数。在核算时,只需代入3.1415926…即可,无需考虑曲率,因为这儿的π不是因为空间曲率而引进的。

那么,引力场方程中为什么会呈现π呢?

从数学上能够证明,在弱场的情况下,上述的引力场方程能够退化成牛顿引力方程。牛顿的万有引力规律公式如下:

依据高斯规律,牛顿引力方程的泊松方程如下:

为了让引力场方程的弱场近似与万有引力规律的方式保持一致,需求把爱因斯坦引力常数κ(爱因斯坦张量与应力-能量张量的比值)界说为如下的方式:

这样,能够让引力场方程在弱场的情况下直接转变为万有引力规律,两种引力理论中的万有引力常数G都是通用的。

当然,也能够从头界说常数G,让份额系数κ中的π消失。仅仅这样做,会使得引力场方程和万有引力规律的转化需求绕个弯子,导致两者之间的联络没有那么直接和清晰。

因为弱场极限满意高斯规律,而这会涉及到球的面积,所以必然会引进π。其实牛顿引力方程能够写成这样F=G'Mm/(4πr^2),其间G'=4πG。

总归,π的存在是为了让引力场方程在弱场下变成牛顿引力方程的方式F=GMm/r^2。假如不这样,爱因斯坦场方程通过弱场近似处理之后,得到的牛顿引力方程的分母中会呈现π,不是咱们所了解的方式,这样还需求从头界说G。

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