الشكلية ما بعد النيوتونية ذات المعلمات
في الفيزياء ، تُعدّ الصيغة البارامترية لما بعد نيوتن، أو صيغة PPN ، نسخةً من تقريب ما بعد نيوتن لنظرية النسبية العامة ، وتتضمن معايير قابلة للتعديل. تُستخدم هذه الصيغة كأداة لمقارنة جاذبية أينشتاين غير الخطية بجاذبية نيوتن الأبسط في حالة ضعف مجال الجاذبية الناتج عن أجسام تتحرك ببطء مقارنةً بسرعة الضوء. عمومًا، يمكن تطبيق صيغة PPN على جميع نظريات الجاذبية المترية التي تُحقق فيها جميع الأجسام مبدأ تكافؤ أينشتاين . تبقى سرعة الضوء ثابتة في صيغة PPN، وتفترض أن موتر القياس متناظر دائمًا.
تقريبات ما بعد نيوتن
معادلات أينشتاين للجاذبية غير خطية ويصعب حلها حتى في أبسط الأنظمة. يُعيد توسيع ما بعد نيوتن كتابة المعادلات في سلسلة من الحدود المتناسبة مع قوة نسبة فيزيائية صغيرة. على سبيل المثال، نسبة سرعة المادة التي تُشكّل مجال الجاذبية،بسرعة الضوء ،والتي يُطلق عليها في هذه الحالة بشكل أفضل سرعة الجاذبية . طالما أن، المصطلحات في سلسلة ذات قوى مثلستحتوي على عدد قليل من الحدود المهمة. سيكون الحد الأدنى هو قانون نيوتن للجاذبية الكونية . يسمح هذا بتقريب معادلات أينشتاين في حالة المجالات الضعيفة. يمكن إضافة حدود ذات رتب أعلى لزيادة الدقة، ولكن بالنسبة للمجالات القوية، قد يكون من الأفضل حل المعادلات الكاملة عدديًا.
تحديد المعلمات
تُعدّل صياغة ما بعد نيوتن المُعَلمة (PPN) معادلات ما بعد نيوتن الأساسية باستبدال المعاملات العددية بمعاملات قابلة للتعديل. وتُنتج القيم المختلفة لهذه المعاملات نظريات جاذبية مختلفة تُناسب ظروفًا مُختلفة. ومن الأمثلة على ذلك نماذج النظام الشمسي التي تستخدم كواكب جسيمية نقطية ، وأنظمة الكتل النقطية ذات الشحنة الكهربائية، والسوائل ذات الإجهادات غير المتجانسة. [ 1 ] : 99
مثال على الزمكان المتساوي الخواص الساكن
يعتمد نموذج بسيط للنظام الشمسي على جاذبية الشمس فقط ويتجاهل دورانها. في هذا الزمكان المتجانس والثابت ، تُقاس المسافات بالزمن الخاص باستخدام المقياس التالي: هناهي المسافة من الشمس إلى كتلة اختبارية ويمثل الزمن الإحداثي لمراقب عند كتلة الاختبار. يمكن استنتاج طبيعة الدالتين A و B من خلال التحليل البُعدي والفيزيائي. يعتمد النظام ككل على كتلة الشمس M وثابت الجاذبية G ، في التركيبة GM . نسبة طاقة الوضع التثاقلية إلى كتلة السكون لجسيم الاختبار،صغيرة، لذا يمكن توسيع الدالتين في متسلسلة قوى لتلك النسبة الصغيرة: المعاييروكلاهما يساوي 1 في نظرية جاذبية أينشتاين. وتتوافق اختبارات النظام الشمسي للنسبية العامة مع هذه القيمة بدقة أفضل من جزء واحد من عشرة آلاف. تاريخيًا، تنبأت نظريات جاذبية أخرى بقيم مختلفة، لكن لم تتطابق أي منها مع الملاحظات. [ 2 ] : 310
تاريخ
أُجريت أولى عمليات تحديد معلمات تقريب ما بعد نيوتن على يد السير آرثر ستانلي إدينغتون عام 1922. إلا أنها اقتصرت على دراسة مجال الجاذبية في الفراغ خارج جسم كروي معزول. قام كين نوردتفيت (1968، 1969) بتوسيع هذا التقريب ليشمل سبعة معلمات في ورقتين بحثيتين نُشرتا عامي 1968 و1969. وفي عام 1971، قدّم كليفورد مارتن ويل وصفًا للمادة المستمرة والمُجهدة للأجرام السماوية.
تستند الإصدارات الموصوفة هنا إلى Wei-Tou Ni (1972) و Will و Nordtvedt (1972) و Charles W. Misner et al. (1973) (انظر كتاب الجاذبية ) و Will (1981، 1993) ولها عشرة معلمات.
ترميز بيتا دلتا
تُحدد عشرة معايير ما بعد نيوتنية سلوك النظرية في المجال الضعيف بشكل كامل. وقد شكّل هذا النموذج أداة قيّمة في اختبارات النسبية العامة . وفي تدوين ويل (1971)، وني (1972)، وميسنر وآخرون (1973)، تكون قيم هذه المعايير كما يلي:
| ما مقدار انحناء الفضاءينتج عن كتلة سكون وحدة | |
| ما مقدار اللاخطية الموجودة في قانون التراكب للجاذبية؟ | |
| ما مقدار الجاذبية الناتجة عن وحدة طاقة حركية؟ | |
| ما مقدار الجاذبية التي تنتجها وحدة طاقة الوضع التثاقلية؟ | |
| ما مقدار الجاذبية الناتجة عن وحدة طاقة داخلية؟ | |
| ما مقدار الجاذبية الناتجة عن وحدة الضغط؟ | |
| الفرق بين الطاقة الحركية الشعاعية والعرضية في الجاذبية | |
| الفرق بين الإجهاد القطري والإجهاد العرضي الناتج عن الجاذبية | |
| ما مقدار السحب الذي تتعرض له الأطر المرجعية العطالية؟ينتج عن زخم الوحدة | |
| الفرق بين الزخم القطري والزخم العرضي في سحب الأطر المرجعية العطالية |
هو موتر متري متناظر 4×4 ذو مؤشراتو going from 0 to 3. Below, an index of 0 will indicate the time direction and indices and (going from 1 to 3) will indicate spatial directions.
In Einstein's theory, the values of these parameters are chosen (1) to fit Newton's Law of gravity in the limit of velocities and mass approaching zero, (2) to ensure conservation of energy, mass, momentum, and angular momentum, and (3) to make the equations independent of the reference frame. In this notation, general relativity has PPN parameters and
Alpha-zeta notation
In the more recent notation of Will & Nordtvedt (1972) and Will (1981, 1993, 2006) a different set of ten PPN parameters is used.
- is calculated from
The meaning of these is that , and measure the extent of preferred frame effects. , , , and measure the failure of conservation of energy, momentum and angular momentum.
In this notation, general relativity has PPN parameters
- and
The mathematical relationship between the metric, metric potentials and PPN parameters for this notation is:
where repeated indexes are summed. is on the order of potentials such as , the square magnitude of the coordinate velocities of matter, etc. is the velocity vector of the PPN coordinate system relative to the mean rest-frame of the universe. is the square magnitude of that velocity. if and only if , otherwise.
There are ten metric potentials, , , , , , , , , and , one for each PPN parameter to ensure a unique solution. 10 linear equations in 10 unknowns are solved by inverting a 10 by 10 matrix. These metric potentials have forms such as:
which is simply another way of writing the Newtonian gravitational potential,
where is the density of rest mass, is the internal energy per unit rest mass, is the pressure as measured in a local freely falling frame momentarily comoving with the matter, and is the coordinate velocity of the matter.
Stress-energy tensor for a perfect fluid takes form
How to apply PPN
Examples of the process of applying PPN formalism to alternative theories of gravity can be found in Will (1981, 1993). It is a nine step process:
- Step 1: Identify the variables, which may include: (a) dynamical gravitational variables such as the metric , scalar field , vector field , tensor field and so on; (b) prior-geometrical variables such as a flat background metric , cosmic time function , and so on; (c) matter and non-gravitational field variables.
- Step 2: Set the cosmological boundary conditions. Assume a homogeneous isotropic cosmology, with isotropic coordinates in the rest frame of the universe. A complete cosmological solution may or may not be needed. Call the results , , , .
- Step 3: Get new variables from , with , or if needed.
- الخطوة 4: استبدل هذه الصيغ في معادلات المجال، مع الاحتفاظ فقط بالحدود الضرورية للحصول على حل نهائي متسق لـاستبدل موتر الإجهاد السائل المثالي بمصادر المادة.
- الخطوة 5: حل لإيجادلوبافتراض أن هذا يؤول إلى الصفر بعيدًا عن النظام، نحصل على الشكل التاليأينهو جهد الجاذبية النيوتوني وقد تكون دالة معقدة تتضمن "ثابت" الجاذبية.يأخذ المقياس النيوتني الشكل التالي:،،اعمل بوحدات يكون فيها "ثابت" الجاذبية المقاس اليوم بعيدًا عن المادة الجاذبة يساوي واحدًا، لذا حدد.
- الخطوة 6: من النسخ الخطية لمعادلات المجال، قم بحل المعادلة التالية:لول.
- الخطوة 7: حل لإيجادلهذه هي الخطوة الأكثر تعقيداً، إذ تتضمن جميع اللاخطية في معادلات المجال. كما يجب توسيع موتر الإجهاد والطاقة إلى رتبة كافية.
- الخطوة 8: التحويل إلى إحداثيات شبه ديكارتية محلية وإلى مقياس PPN القياسي.
- الخطوة 9: بمقارنة النتيجة لـباستخدام المعادلات المعروضة في PPN مع معلمات ألفا زيتا ، اقرأ قيم معلمات PPN.
مقارنات بين نظريات الجاذبية
يمكن العثور على جدول يقارن معلمات PPN لـ 23 نظرية للجاذبية في بدائل النسبية العامة#معلمات ما بعد نيوتن البارامترية لمجموعة من النظريات .
يمكن تصنيف معظم النظريات المترية للجاذبية إلى فئات. تشمل النظريات القياسية للجاذبية النظريات المسطحة المطابقة والنظريات الطبقية ذات الشرائح المكانية المتعامدة زمنيًا.
في النظريات المسطحة المطابقة، مثل نظرية نوردستروم للجاذبية، يُعطى المقياس بواسطةوبالنسبة لهذا المقياسوهو ما يتعارض بشكل كبير مع الملاحظات. في النظريات الطبقية مثل نظرية يلماز للجاذبية، يُعطى المقياس بواسطةوبالنسبة لهذا المقياسوهذا يتعارض أيضاً بشكل كبير مع الملاحظات.
وهناك فئة أخرى من النظريات وهي النظريات شبه الخطية مثل نظرية وايتهيد للجاذبية .تعتمد المقادير النسبية لتوافقيات مد وجزر الأرض علىووتُظهر القياسات أن النظريات شبه الخطية لا تتفق مع ملاحظات المد والجزر على الأرض.
هناك فئة أخرى من النظريات المترية وهي نظرية القياس الثنائي . بالنسبة لجميع هذهوهي قيمة غير صفرية. ومن خلال ترنح دوران الشمس، نعلم أنوهذا يستبعد فعلياً النظريات ثنائية القياس.
هناك فئة أخرى من النظريات المترية وهي نظريات القياس-الموتر ، مثل نظرية برانز-ديك . بالنسبة لجميع هذه النظريات،حدهذا يعني أنسيكون حجمها كبيرًا جدًا، لذا تبدو هذه النظريات أقل احتمالًا مع تحسن دقة التجارب.
أما الفئة الرئيسية الأخيرة من نظريات القياس فهي نظريات المتجهات والموترات. وفي جميع هذه النظريات، يتغير "الثابت" الجاذبي مع الزمن.وهي قيمة غير صفرية. تُقيّد تجارب قياس المسافة بالليزر على سطح القمر بدقة تغير "ثابت" الجاذبية مع الزمن ولذا تبدو هذه النظريات غير محتملة أيضاً.
هناك بعض النظريات المترية للجاذبية التي لا تتناسب مع الفئات المذكورة أعلاه، ولكنها تعاني من مشاكل مماثلة.
الدقة من الاختبارات التجريبية
حدود معلمات PPN من Will (2006) و Will (2014)
| المعلمة | مرتبط ب | الآثار | تجربة |
|---|---|---|---|
| 2.3 × 10 −5 | تأخير زمني، انحراف الضوء | تتبع كاسيني | |
| 8 × 10 −5 | انزياح نقطة الحضيض | انزياح نقطة الحضيض | |
| 2.3 × 10 −4 | تأثير نوردتفيت بافتراض | تأثير نوردتفيت | |
| 4 × 10 −9 | ترنح الدوران | النجوم النابضة ذات الثواني الملي ثانية | |
| 1 × 10 −4 | الاستقطاب المداري | تحديد المدى بالليزر القمري | |
| 4 × 10 −5 | الاستقطاب المداري | PSR J1738+0333 | |
| 2 × 10 −9 | ترنح الدوران | النجوم النابضة ذات الثواني الملي ثانية | |
| 4 × 10 −20 | التسارع الذاتي | إحصائيات تباطؤ دوران النجوم النابضة | |
| 9 × 10-4 | تأثير نوردتفيت | تحديد المدى بالليزر القمري | |
| 0.02 | حدود PPN المجمعة | — | |
| 4 × 10−5 † | تسارع النجوم النابضة الثنائية | PSR 1913+16 | |
| 1 × 10-8 | قانون نيوتن الثالث | التسارع القمري | |
| 0.006 ‡ | — | تجربة كروزر |
† ويل، سي إم (10 يوليو 1992). "هل الزخم محفوظ؟ اختبار في النظام الثنائي PSR 1913 + 16". رسائل المجلة الفيزيائية الفلكية . 393 (2): L59–L61. رمز Bibcode : 1992ApJ...393L..59W . doi : 10.1086/186451 . ISSN 0004-637X . ‡ بناءً علىمن ويل (1976، 2006). من الممكن نظريًا أن يتجاوز نموذج بديل للجاذبية هذا الحد، وفي هذه الحالة يكون الحد هومن ني (1972).
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ ويل، كليفورد م.، محرر (1993)، "الصيغة البارامترية لما بعد نيوتن" ، النظرية والتجربة في فيزياء الجاذبية ، كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج، ص 86-115 ، doi : 10.1017/CBO9780511564246.006 ، ISBN 978-0-511-56424-6تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 مارس 2026
- ↑ زي، أ. (2013). جاذبية أينشتاين باختصار . باختصار. برينستون: مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-0-691-14558-7.
- إدينجتون، أ.س. (1922) النظرية الرياضية للنسبية، مطبعة جامعة كامبريدج.
- ميسنر، سي دبليو، ثورن، كيه إس وويلر، جيه إيه (1973) الجاذبية، دبليو إتش فريمان وشركاه.
- نوردتفيت، كينيث (25 مايو 1968). "مبدأ التكافؤ للأجسام ذات الكتلة. الجزء الثاني: النظرية". مجلة Physical Review ، المجلد 169 ، العدد 5. الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS): 1017-1025 . رمز Bibcode : 1968PhRv..169.1017N . doi : 10.1103/physrev.169.1017 . ISSN 0031-899X .
- نوردتفيت، ك. (25 أبريل 1969). "مبدأ التكافؤ للأجسام الضخمة بما في ذلك الطاقة الدورانية وضغط الإشعاع". مجلة Physical Review ، 180 (5). الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS): 1293-1298 . Bibcode : 1969PhRv..180.1293N . doi : 10.1103/physrev.180.1293 . ISSN 0031-899X .
- ويل، كليفورد م. (1971). "أطر نظرية لاختبار الجاذبية النسبية. الجزء الثاني: الديناميكا المائية ما بعد النيوتونية المُعَلمة، وتأثير نوردتفيت". المجلة الفيزيائية الفلكية . 163. دار نشر IOP: 611-628 . رمز Bibcode : 1971ApJ...163..611W . doi : 10.1086/150804 . ISSN 0004-637X .
- ويل، سي إم (1976). "الكتلة الفعالة في الجاذبية النسبية - تفسير نظري لتجربة كروزر" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 204. دار نشر IOP: 224-234 . رمز Bibcode : 1976ApJ...204..224W . doi : 10.1086/154164 . ISSN 0004-637X .
- ويل، سي إم (1981، 1993) النظرية والتجربة في فيزياء الجاذبية، مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 0-521-43973-6.
- ويل، سي إم، (2006) المواجهة بين النسبية العامة والتجربة، https://web.archive.org/web/20070613073754/http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2006-3/
- ويل، كليفورد م. (11 يونيو 2014). "المواجهة بين النسبية العامة والتجربة" . مراجعات حية في النسبية . 17 (1): 4. arXiv : 1403.7377 . Bibcode : 2014LRR....17....4W . doi : 10.12942/lrr- 2014-4 . ISSN 2367-3613 . PMC 5255900. PMID 28179848 .
- ويل، كليفورد م.؛ نوردتفيت، كينيث الابن (1972). "قوانين الحفظ والأطر المفضلة في الجاذبية النسبية. الجزء الأول: نظريات الإطار المفضل وصيغة PPN الموسعة" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 177. دار نشر IOP: 757. Bibcode : 1972ApJ...177..757W . doi : 10.1086/151754 . ISSN 0004-637X .
- نظريات الجاذبية
- الشكلية (الاستنتاجية)
- النسبية العامة
