广义相对论的替代理论

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广义相对论的替代理论是与爱因斯坦广义相对论竞争,尝试要描述重力现象的物理理论。

对于建构一个理想重力理论,至今已有许多不同的尝试。这些尝试可以分为下面四个大类:

本文谈论对象仅包括与广义相对论的直接竞争理论。关于量子化重力理论课题,参见量子引力。重力与其他基本力的统一理论课题,参见经典统一场论。试图将所有目标毕其功于一役的理论,请见万有理论

动机[编辑]

建立新的重力理论的动机随着年代不同,最早先的动机是要解释行星轨道(牛顿重力)以及更复杂的轨道(例如:拉格朗日)。再来登场的是不成功的尝试——要合并重力与波理论或微粒(corpuscular)理论的新重力理论。随着洛伦兹变换的发现,物理学的样貌彻底改变,而导致了将其与重力调和的尝试。在此同时,实验物理学家开始测试重力与相对论的基础——洛伦兹不变性重力造成的光线偏折、Eötvös实验。这些考量导致与考验了广义相对论的发展。

本文中的符号标记[编辑]

光速重力常数。几何变数(Geometric variables)在此不使用。

拉丁字母指标取值从1到3,希腊字母指标取值从0到3。采用爱因斯坦取和原则

闵可夫斯基度规为一张量,通常是度规张量。其有标记(signature)

协变微分(Covariant differentiation)写为

也可考虑阅读广义相对论的数学条目。

理论分类[编辑]

重力理论可以粗略分为数个大类。此处描述的多数理论具有:

若一理论具有一拉格朗日密度,写作,则作用量则是此项的积分,例如:

其中是空间的曲率。在此方程中,通常会有的情形,但并非必要条件。

本文中所描述的理论几乎每个都有一作用量。这是目前已知的方法来保证能量、动量与角动量守恒能自动成立;尽管如此,要建构使守恒律被违背的作用量仍相当容易。1983年原始版本的MOND并没有作用量。

一些理论有作用量但没有拉格朗日密度。一个好的例子是怀海德(1922年)的理论,此中的作用量是非局域的。

一个重力理论是一度规理论(metric theory)仅当其可以给出遵守如下两个条件的数学表述:

条件1. 存在一度规张量标记为1,而此度规掌控了原长(proper-length)与固有时(proper-time)测量,一如在狭义与广义相对论:

此式中对指标进行取和。

条件2. 受到重力作用的具应力物质与场按照下列方程反应:

其中应力-能量张量,针对所有物质以及非重力的场,而为随度规所做的协变导数(covariant derivative)]。

任何重力理论若永远成立,则其非度规理论,但任何度规理论可以给予违背条件1与2的数学描述。

度规理论包括(从简单至复杂):

  • 标量场理论(包括共形平直理论(Conformally flat theories),以及具有共形平直空间切面(Conformally flat space slices)的层状理论(Stratified theories))

诺德斯特洛姆(Nordström)、Einstein-Fokker、Whitrow-Morduch、Littlewood、Bergman、Page-Tupper, 爱因斯坦(1912年)、Whitrow-Morduch、罗森(Rosen)(1971年)、Papapetrou、倪维斗(Ni)、Yilmaz、[Coleman]、李-莱特曼-倪(Lee-Lightman-Ni)

罗森(1975年)、Rastall、莱特曼-李(Lightman-Lee)

怀海德(Whitehead)、Deser-Laurent、Bollini-Giambini-Tiomno

爱因斯坦广义相对论

(参见后文1980年代至今的现代理论

非度规理论,则包括嘉当(Cartan)、Belinfante-Swihart。

关于马赫原理,在这里做一些陈述是洽当的,因为其中一些理论根据的是马赫原理,例如怀海德(1922年),and many mention it in passing eg. Einstein-Grossmann (1913), Brans-Dicke (1961). 马赫原理可以被想作是介于牛顿与爱因斯坦之间的妥协(half-way-house)。可以做如此描述[1]

  • 牛顿:绝对空间与时间。
  • 马赫:参考系源自于宇宙中物质的分布。
  • 爱因斯坦:没有绝对的参考系。

目前为止,所有的实验证据指出马赫原理是不正确的,但其可能性尚未被完全排除。

早期理论(1686年至1916年)[编辑]

早期重力理论——指的是广义相对论之前的理论——包括有牛顿(1686年)、爱因斯坦(1912年a & b)、爱因斯坦与格罗斯曼(Grossmann)(1913年)、诺德斯特洛姆(Nordström)(1912年、 1913年)以及爱因斯坦与佛克(Fokker)(1914年)。

在牛顿(1686年)理论中(以更近代的数学重写),质量密度产生了一个标量场


利用倒三角算符(Nabla operator),可以很方面地写成:

而标量场掌控了自由下落粒子的运动:

其中标量场为

广义相对论替代理论的测试[编辑]

理论与测试的发展是一个牵一个地进行着。多数测试可以被分类为(参见Will 2001):

  • 基本生存力(Basic Viability)
  • 爱因斯坦等效原理(Einstein's Equivalence Principle, EEP)
  • 参数化后牛顿形式(Parametric Post-Newtonian, PPN)
  • 强场重力(Strong Gravity)
  • 引力波(Gravitational Waves)

理论测试结果[编辑]

一些理论的PPN参数实测值[编辑]

(细节参见威尔(Will)(1981年)与倪维斗(Ni)(1972年)。米斯纳(Misner)等人(1973年)制表将倪氏参数记号转换成威尔的版本。)

广义相对论至今已经超过90岁,而不断继起的重力替代理论却无法与更精确的观测结果相一致。更细节的描述请见参数化后牛顿形式(Parameterized post-Newtonian formalism, PPN)。

下表列举了为数众多的理论之PPN值。如果格中的值跟行顶格子的值相同,则表示完整的式子太复杂而无法列在此处;例如:行顶格子为β参数,而Bergmann(1968年), Wagoner(1970年)的格子值也是β。

爱因斯坦(1916年)
广义相对论
1 1 0 0 0 0 0 0 0 0
标量-张量理论
Bergmann(1968年), Wagoner(1970年) 0 0 0 0 0 0 0 0
NordtVedt(1970年), Bekenstein(1977年) 0 0 0 0 0 0 0 0
布兰斯-迪克(1961年) 1 0 0 0 0 0 0 0 0
向量-张量理论
Hellings-Nordtvedt(1973年) 0 0 0 0 0 0
Will-Nordtvedt(1972年) 1 1 0 0 0 0 0 0 0
双度规理论
Rosen(1975年) 1 1 0 0 0 0 0 0 0
Rastall(1979年) 1 1 0 0 0 0 0 0 0
莱特曼-李(1973年) 0 0 0 0 0 0
层状理论
李-莱特曼-倪(1974年) 0 0 0 0 0
倪维斗(1973年) 0 0 0 0 0 0
标量场论
爱因斯坦(1912年){非广义相对论} 0 0 -4 0 -2 0 -1 0 0†
Whitrow-Morduch(1965年) 0 -1 -4 0 0 0 -3 0 0†
罗森(1971年) 0 -4 0 -1 0 0
Papetrou (1954年a, 1954年b) 1 1 -8 -4 0 0 2 0 0
倪维斗(1972年)(层状) 1 1 -8 0 0 0 2 0 0
Yilmaz(1958年、1962年) 1 1 -8 0 -4 0 -2 0 -1†
Page-Tupper(1968年) 0 0 0
诺德斯特洛姆(1912年) 0 0 0 0 0 0 0†
诺德斯特洛姆(1913年)、爱因斯坦-佛克(1914年) 0 0 0 0 0 0 0
倪维斗(Ni)(1972年)(平直) 0 0 0 0 0 0†
Whitrow-Morduch(1960年) 0 0 0 0 q 0 0†
Littlewood(1953年)、Bergman(1956年) 0 0 0 0 -1 0 0†

† 此理论不完备,且可以是两值中的一者。最接近零的值在此列出。

至今所有实验测试与广义相对论相符,因此PPN分析立即删除了表中所有的标量场论。

此处未有针对怀海德(1922年)、Deser-Laurent(1968年)、Bollini-Giamiago-Tiomino(1970年)三者的完整PPN参数列表。但在这些三个情形中,这与广义相对论的情形以及实验结果严重违背。特别的是,这些理论预测的地球潮汐振幅是不正确的值。

脚注[编辑]

  1. ^ 这并非马赫原先陈述的方式,参见马赫原理的其他变型

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