Ньютоновская гравитация против общей теории относительности: насколько именно Ньютон ошибается?

Есть ли простая функция, которую я могу использовать для описания разницы между простой ньютоновской динамикой и реальным наблюдаемым движением? Или, может быть, какие-то соотношения для общих примеров, скажем, движения звезд и планет?

Я знаю, например, что ньютоновской физики достаточно, чтобы запустить ракету на Луну, поэтому ошибка должна быть ничтожной. Каково именно это отношение, и может ли неспециалист вычислить его вообще для других тел?

Контекст таков: в дебатах о том, насколько радикально неправильной может быть наука, я хочу доказать, что, хотя Ньютон ошибался в отношении гравитации в целом, он ошибался всего на _ % в отношении того, что он наблюдал. Я знаю, что наука часто может ошибаться, но я хочу подчеркнуть тот факт, что наша система наблюдения не дисфункциональна в корне.

Связано: physics.stackexchange.com/q/89 и ссылки в нем.
Смотрите мой ответ здесь: physics.stackexchange.com/q/7781 .

Ответы (2)

Позвольте мне перейти к вашему третьему абзацу, потому что он подчеркивает очень важный момент, который обычно не принимается во внимание людьми, не являющимися учеными.

В физике «теория» — это математическая модель, основанная на различных предположениях и применимая к ограниченному кругу физических условий. Законы Ньютона — это математическая модель, ограниченная нерелятивистскими скоростями и низкими гравитационными полями, и в этих пределах она чрезвычайно точна. Нет никакого смысла, в котором Эйнштейн доказал, что Ньютон ошибался. Что сделала теория относительности, так это расширила диапазон физических условий, в которых применялась теория. Специальная теория относительности расширила диапазон, включив в него высокие скорости, а общая теория относительности снова расширила его, включив в него сильные гравитационные поля. Даже ОТО применима не везде, потому что она не работает в таких сингулярностях, как центры черных дыр. Мы ожидаем, что какая-то будущая теория (теория струн?) расширит ОТО для описания мест, сингулярных в ОТО.

В любом случае, разглагольствуйте и переходите к вашему реальному вопросу. Классическим отличием является прецессия Меркурия. Это, вероятно, самый большой эффект, и его, безусловно, легче всего наблюдать. Поскольку орбита Меркурия представляет собой эллипс, она имеет длинную ось, указывающую в определенном направлении. В ньютоновской гравитации направление этой оси не меняется, но ОТО предсказывает, что оно изменяется на 43 угловых секунды за столетие. Это мизерная сумма. Угловое разрешение невооруженного человеческого глаза составляет около 1 угловой минуты, поэтому вам придется наблюдать за Меркурием в течение 140 лет, прежде чем станет заметно изменение оси.

(Кто-то скажет, что это не совсем так, потому что прецессия Меркурия составляет около 500 угловых секунд за столетие, однако только 43 угловых секунды из этого числа связаны с релятивистскими поправками. Остальное связано с возмущениями от других планет. точно предсказывается законами Ньютона.)

На самом деле не было никаких намеков на то, что ньютоновская гравитация ограничена, пока не появилась специальная теория относительности и не подняла проблемы. В контексте механики до СТО ньютоновская гравитация была полной теорией. Тогда было бы естественно, но не оправдано предположить, что ньютоновская гравитация совершенно верна. В этом смысле ОТО «свергла» Ньютона. В наши дни физики склонны думать, что мы лучше знаем пределы наших теорий. Наши «эффективные теории» имеют встроенные точки разрыва, которые говорят нам, где искать новую физику. Не так много для Ньютона до специальной теории относительности.
Аномальная прецессия Меркурия была впервые обнаружена в 1859 году, задолго до появления специальной теории относительности. Однако я понимаю вашу точку зрения, что в то время люди не верили, что это было ограничением законов Ньютона, а скорее, что была какая-то другая причина, например, неоткрытые планеты (такие как Вулкан).
@JohnRennie - 43 угловых секунды - это угловая мера, связанная с орбитой Меркурия вокруг Солнца, а не угловая мера, связанная с положением, в котором мы наблюдаем положение Меркурия в ночном небе. Таким образом, ваши утверждения о людях-наблюдателях и разрешении их глаз вводят в заблуждение, поскольку предполагают, что имеет место последнее. Другими словами: сравнение разрешения глаза имеет смысл только в том случае, если вы говорите о гипотетическом наблюдателе-человеке, находящемся на солнце.

Соответствующий малый параметр немного варьируется в зависимости от обстоятельств. Существует общая (даже более общая, чем ОТО) структура, называемая параметризованной постньютоновской структурой , набор из десяти чисел, которые определяют поведение теории гравитации в режиме слабого поля, где закон Ньютона должен быть близким приближением. ОТО дает конкретное предсказание для всех десяти параметров PPN (через приближение слабого поля ), как и конкурирующие теории гравитации, что позволяет экспериментам, сосредоточенным на параметрах PPN, одновременно обращаться ко многим конкурирующим теориям.

В конкретной обстановке история часто бывает проще. Например, в задаче о центральном теле (хорошее приближение Солнечной системы) малый параметр существенно

р С р "=" 2 г М с 2 р
где р С радиус Шваршильда и р это расстояние планеты или что-то еще от центрального тела. Более общее выражение, играющее ту же роль, Φ / с 2 где Φ — ньютоновский гравитационный потенциал.