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【交流】广义相对论和牛顿力学
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广义相对论和牛顿力学 广义相对论和牛顿力学（1） 根据我的博文“试解宇宙学常数”，在爱因斯坦的宇宙学方程中，我们应当取宇宙学常数为： （见附件1） 这样爱因斯坦的宇宙学方程变成： （见附件2） 这个方程实际上就是天体在有心力场中运动时牛顿第二定律的积分表达式。这个事实说明如果我们认为爱因斯坦广义相对论中的引力方程能更好地描述客观世界，牛顿力学也应当是广义相对论引力方程的一个很好的近似。在实际计算宇宙天体的运动时候，牛顿力学却更为简单明确。而且以牛顿力学为基础的天体力学已经发展了一套比较完整的方法，可以对天体的运动进行足够精确的计算。例如在水星近日点进动的计算中，主要部分目前还是要靠以牛顿力学为基础的天体力学来进行计算。用爱因斯坦的广义相对论进行的计算结果只是对以牛顿力学为基础的天体力学的计算结果做了不足1%的改正。 对水星近日点进动的计算实际上主要还是根据牛顿定律进行，计算的结果是每世纪有5,557.62角秒的进动﹐其中的90％是由坐标系的岁差引起﹐其余的部分是由其他行星﹐特别是金星﹑地球和木星的摄动引起的﹔而实际观测值为 5,600.73角秒﹐二者相减得到的差值是每世纪 43.11角秒。爱因斯坦1915年提出对水星的进动计算应当进行广义相对论改正。爱因斯坦提出的改正公式为： （见附件3） 式中c 为光速﹐T ﹑a ﹑e 分别为轨道周期﹑半长径和偏心率。爱因斯坦计算得到的改正值与牛顿万有引力定律所得的差值为每世纪43 03。和观测结果很好符合。但这个改正值只有水星近日点进动总值的不足1%。因此在许多实际的宇宙学研究中，牛顿力学经常可以比爱因斯坦的广义相对论能更方便地描述天体的运动情况。天文学家通常只在极少数情况下才考虑用广义相对论对天体的实际运动进行计算。因此爱因斯坦的广义相对论不能替代牛顿力学在天文学中的位置。爱因斯坦在用他的广义相对论进行宇宙学研究时，由于要避开广义相对论带来的数学计算上的困难，爱因斯坦只好引进了所谓宇宙学原理。结果是反而弄巧成拙，最后不得不引进宇宙学常数来进行补救。实际上这样做的结果还是如同我在博文“试解宇宙学常数”中所说的那样，实际上是回到用牛顿力学来解决问题。 广义相对论和牛顿力学（2） 在前面 “广义相对论和牛顿力学（1）”中，我主要讨论了广义相对论和牛顿力学在天文学的应用中有同一的一面。但广义相对论和牛顿力学也存在差别的一面。 根据牛顿力学，宇宙中天体的运动状态是由该天体所受的外力所决定。而根据广义相对论宇宙中天体的运动状态是由该天体所处的时空点的时空结构所决定。爱因斯坦对时空的处理方法在弱电统一理论的研究中也许起了一定的作用，但对引力的处理很难说是成功。引力始终留在大统一理论的框架之外。虽然理论学家经过几十年的努力，想尽各种办法和理论，包括玄论，理论的繁复也超出了常人的想象，但要把引力纳入大统一理论的框架似乎仍然是遥不可及的。而牛顿力学对引力的处理虽然简单，但却仍然是现代天体力学不可动摇的基础。 爱因斯坦在用他的广义相对论引力方程研究宇宙学时，由于数学上求解的困难，爱因斯坦先是引进宇宙学原理。但爱因斯坦仍然无法得到他自己满意的解。于是爱因斯坦又引进了宇宙学常数来进行补救。可是在面对Friedmann在数学上证明宇宙有膨胀解和Hubble的天文观测中发现了星系红移的哈勃关系，爱因斯坦完全无法应对。于是爱因斯坦只好公开承认他自己 一生中最大的错误”是在宇宙学方程式中引入宇宙学常数。 爱因斯坦是20世纪少数伟大的物理学家之一。他对现代物理学的发展做出了巨大贡献。但他对宇宙学的贡献却远不如牛顿。李淼先生在他的“暗能量传奇”讲演中提到：（19）98年以前到（19）29年大家一直在相信宇宙是减速的，大概70年完全是错误的。对此，爱因斯坦有不可忽略的作用。有人认为，现代宇宙学是由爱因斯坦所开创，牛顿的宇宙观是错误的。我认为情况正好相反。牛顿的宇宙观基本上是正确的。爱因斯坦所开创的所谓现代宇宙学研究，如同李淼先生所说的那样，其结果是“（19）98年以前到（19）29年大家一直在相信宇宙是减速的，大概70年完全是错误的” 。到现在，所谓新“标准宇宙学模型”仍然用所谓“暗物质”，“暗能量”这些模糊的概念把宇宙学的研究引向歧途。而对有不同意见的学术观点，“标准宇宙学模型”的拥护者还在利用爱因斯坦所拥有的巨大的学术威望，把“如果你是对的，那么整个宇宙学就都错了。当然，也可能我们大家都错了，你是对的，那么你就是爱因斯坦，不过这个世界上爱因斯坦毕竟不太多，这种可能性也就很小”当成了响当当的反对的理由，把不同意见的学术观点打入冷宫。 [ Last edited by twxz on 2009-8-18 at 22:08 ] |
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小木虫先生：谢谢你的回帖和建议。 我对自己的观点当然有信心。但我认为投到国外并不是当务之急。学术界存在的问题并不是我的被害妄想。吴水清先生文章中提到的，被后人戏称为“普朗克原理”的痛苦结论并不是我的发明创造。投到国内更是不可能。被APJ退回的那篇文章2006年我也曾投到国内的英文刊物ChJAA （现改名为RAA），最初ChJAA编辑部的答复是：“审稿人认为你投给ChJAA的文章投到物理类刊物，如《中国科学》可能更合适一些。因为文中有一大部分是关于基础物理理论的内容，做天体物理的人不是很熟悉，增加了审稿的难度。ChJAA目前发表的文章更偏重于观测类文章，纯理论或偏物理类的文章不太容易接受。希望你能理解”。我投到《中国科学》后，结果如石沉大海。在我通知《中国科学》决定撤回稿件后，《中国科学》发来这样一封退稿信：“谢谢您的来稿。经审查，来稿反映了所在研究领域的新成果，有一定的科学意义，但也存在一些问题（详见中国科学杂志社学术期刊管理系统http://219.238.6.197/查看）。由于我刊版面有限，只能选择刊登一些对本领域和相关领域的研究有较大促进作用的稿件，因此不拟录用此稿”。在我根据和一位同班同学（院士）讨论结果将稿件修改后重投给ChJAA，ChJAA 编委甘为群曾给我发来这样一封信： “主编、学科编委和编辑部多次讨论过你的文章，有一点是共识，即这是一篇有争议的文章。作为一个杂志，发表有争议的文章没有什么不可以，但发表过多有争议的文章，则对杂志本身可能产生损害。因为，你号称是系列文章，这使得大家不得不慎重。我作为学科编委，提出如下建议供你参考： 或者 1。你写一篇文章，把你的精髓统统包括进去。ChJAA可考虑发表，但仅限一篇。这样做于你的好处是，如果以后证明你是对的，那有案可查，你是第一人。 或者 2。你不妨选择国外杂志，一步打到国外也许是个更好的选择，这样你可以持续发表文章。 以上意见未及与主编商量，仅供参考。 祝好！ 甘为群“ 因为我不同意“仅限一篇”这个无理要求，我和ChJAA编辑部闹翻了。于是我转向科学网以博客形式发表我的观点。并逐步从单纯讨论非多普勒效应扩大到整个宇宙学问题的讨论。现在科学网也关闭了我的博客，我只好在小木虫和其它网站安家。很高兴你能和我交流。谢谢。由于时间和篇幅关系，今天先回复你这一个问题。其它问题我会另外回复。 |
19楼2009-08-24 22:39:08
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小木虫在我的爱因斯坦是神还是人？帖子中留下许多评论，看起来小木虫对理论物理和宇宙学都很有研究,因此我请他评论我的帖子"试解宇宙学常数之谜"。小木虫回复了如下一个帖子：“小虫拜读了您的文章了，但是感觉要评论实在困难。我想悄悄地冒昧地没有任何其他意思地问您一个问题？ 您懂不懂《理论力学》和《电动力学》？还有您是否学过《微分几何》？因为这里您把牛顿第二定律和相对论公式等价起来，然后进行研究，这里面的问题很复杂，对没有读懂以上著作的人，小虫认为起码要把物理专业学过以后才能解答。所以小虫可能也无能为力，非常抱歉 ”。在这个评论发表后，我的帖子评论功能就被关闭。无法给小木虫一个答复。因此我在此给小木虫一个答复。小木虫的评论可能有两个意思：一是指我不懂《理论力学》和《电动力学》和《微分几何》。所以“把牛顿第二定律和相对论公式等价起来，然后进行研究”。二是指他自己不懂《理论力学》和《电动力学》和《微分几何》。所以感觉要评论实在困难。我想如果我直接回答“我懂不懂《理论力学》和《电动力学》和《微分几何》”恐怕意义不大。我希望小木虫能直接指出我把“牛顿第二定律和相对论公式等价起来，然后进行研究”中有哪些地方违背了《理论力学》和《电动力学》和《微分几何》。这里我想引用李淼先生在院图科学文化传播服务平台的演讲中的一段话供小木虫 参考。下面是李淼先生（今年科学院院士候选人）在他自己博客上发表的这段话： “在牛顿这个方程，右边再加一个，这边必须引进一个r，假如宇宙是均匀的，他的质量分布是均匀的，那么，在一定体积里面，比如说一个球体的体积里面，我们知道是公式，r的立方，乘上4/3 。这样才有可能抵消，在r的前面把两个系数调到一样大，就抵消掉了，这样的结果就得出宇宙的常数。如果做到这一点，不用解方程，我们通过牛顿的方式就得到宇宙是静态的，当然爱因斯坦的方程得到的解释完全是一样的，但是这个方程比牛顿的方程还要复杂，在这个方程当中再加一项，不含任何的导数，你可以看。当然这个方程可以解，解了以后，跟解决其他的方程是一样的。 如果说宇宙学原理是对的，我们把所有看到的天体只用一个量a刻画（尺度因子），R对于每一个固定的天体它是不变的，它的位置R的变化，由一个函数所决定，宇宙学原理决定的，我代进来得出一个著名的方程，Friedmann方程，它不像牛顿方程说天体是怎么样运行的，而是整个几何是如何运行的，因为每一个天体都由一个a来刻画“。 |
2楼2009-08-19 11:28:56
小木虫:)
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小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
dawnlight(金币+1,VIP+0):3x,感谢分享~，欢迎常来 8-19 21:14
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没想到老先生很看得起小虫啊，专门为小虫开了一个帖子 ，幸会幸会！其实，小虫只是问问老先生看过没看过，老先生看过就看过，没看过就没看过，直接回答不就行了么？孔子曰：知之为知之不知为不知，是知也。 李淼是一个物理学家，物理学家解释的物理问题，有两个层面，一个是文字语言的层面，这个应该是每个人都搞得懂的；另一个是专业语言的层面，这个是需要必要基础的内行才搞得懂的。断章取义的理解别人的话不妥吧？ 其实，请您换位思考一下吧。我们学物理的家伙，也是寒窗数十年，一心专研，尤其是上大学以来，别人游玩时候，我们在学物理；别人大餐的时候，我们在学物理；别人花前月下的时候，我们还是在学物理。我们的知识积累是一步一步的经历了千辛万苦换来的，这样才有了一点点微薄的资本和基础搞点小小的研究，怎么可能一个连基础课都没学牢，甚至学都没学过的外行就把我们的领域大大的推进了呢？不要以为，搞物理的家伙没想法，没创新，其实本科的时候我们认为物理很简单，随时可能有大的突破；硕士的时候就发现不是那么容易了；博士的时候感觉自己简直懂得太少了；这个时候才发现当年的自己真是无知者无畏啊。 安培和法拉第那些家伙绝对不是民科，因为别人把基础课扎扎实实地学完了。一个想法很简单，每个人随时都有自己的想法，关键是自己的想法是不是站得稳。 当然小虫并没有针对老先生，只是就事论事而言。老先生，我只是告诉您，牛顿力学和相对论力学的物理基础是完全不同的，您要硬把他们混为一谈，小虫只能建议您从最基础的物理开始学起。 |
3楼2009-08-19 18:10:18
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小木虫先生提到“博士的时候感觉自己简直懂得太少了；这个时候才发现当年的自己真是无知者无畏啊”。现在小木虫先生大概是“有知者有畏”了。既然小木虫先生也承认李淼是一个物理学家，那么让我们一起体会一下李淼在院图科学文化传播服务平台的演讲中提到的下面一段话： ”交代了一下暗物质，下面我们讲讲暗能量，我们从最简单的开始，力学开始，这是牛顿力学，如果我在原点有一个物质点，它的质量是M，所以根据牛顿万有引力定律，它会吸引附近的物质，任何一个质点的话，它的加速度都是这样得来了的，当然这个加速度是负的，这么一个简单的东西到了爱因斯坦这里弄得非常非常复杂，他写下来的方程，我相信不到本科物理专业四年级的话应该是学不懂的。写出来的方程有10个，我们看看大概是什么意思？在左手边，是几何量，就是时空的曲率，像一个曲面一样，时间+空间是四维了，这个量叫爱因斯坦张量，前面的量爱因斯坦之前就了解了，这里有一个特别的组合是爱因斯坦的，然后在右手边是物质的分布，我们叫能量、动量分量。这个式子告诉我们，实际上引力是非常弱的，我给你一定的能量分布，乘上一个小的东西，以让时空弯曲，这么一个非常复杂的方程，实际上可以回到牛顿的万有引力的，在低速和弱场的时候。低速是指跟光速比要小很多，比如说比光速小100倍，比如说我们通常看到公共汽车，每小时100公里和每秒30万公里比，那个小得就远远不止100倍了。这样的情况下，我们看到这个G是时空的量度，相当于时空的一个尺子，它有很多不同方向去量，这个是时间方向量的东西，时间的快慢不是均匀的，其中有一个牛顿势，把这个东西带到这一组非常复杂的方程里面，用我刚才说的公式就会得到（泊松）方程，这个方程一解就可以得到牛顿的万有引力“。 |
4楼2009-08-22 08:34:56