为什么不能用牛顿引力理论和牛顿力学来研究整个宇宙?

     (宇宙演化中的逻辑关联Ⅻ   主流宇宙学的理论基础（二）)

 

我在《宇宙演化中的逻辑关联Ⅺ 现代宇宙学的天文观测基础及其解释（一）》那篇博文中曾指出, 牛顿引力理论和牛顿力学是不可能应用来研究整个宇宙的”，现在来详细说明这个问题。

首先指出，牛顿引力理论和牛顿力学理论均可看作广义相对论的理论（引力场方程和粒子运动方程）在弱场和低速条件下的近似[1]。只有满足这两个条件时，才可以应用牛顿引力理论和牛顿力学理论来研究问题。在局部时空中的某些天体常可处于弱场和低速的情况下，故可用牛顿引力理论和牛顿力学理论来研究它们的运动。而对于整个宇宙，其中必包含强引力场（如‘黑洞刚要形成时之星体附近的引力场等）和高速物质粒子（如光子气、中微子辐射等，微波背景辐射便是光子气）；对这些情况只能应用广义相对论来进行研究，而不可能应用牛顿引力理论和牛顿力学来进行研究。

其次还要指出，无限宇宙与牛顿理论二者之间存在着难以克服的内在矛盾。牛顿曾认为，为了避免宇宙坍缩，物质必须均匀分布在无限的空间之内。可是，把牛顿引力理论和牛顿力学应用于无限宇宙这一物理体系，仍然得出宇宙要坍缩，而根本得不到一个自洽的宇宙演化模型[2，3]。

以上两个方面就是为什么不能用牛顿引力理论和牛顿力学来研究整个宇宙的主要理由。

若以星系为单元并把宇宙中的物质看成理想流体，对于这个理想流体的某些局部，可以认为弱场和低速的条件近似地满足，因而也可以用牛顿引力理论和牛顿力学对之研究，所得出的结果与应用广义相对论得到的结果相类似，这就是牛顿宇宙学；详细讨论请参考文献[2，3]。在这里我们只是指出，牛顿宇宙学只是一种近似的方法，它不包含物理实质。

 

参考文献

[1] Weinberg S. 1972, “Gravitation and Cosmology”, Wiley, New York.

[2] 冯麟保.1994,“宇宙学引论”.科学出版社, 北京.

[3]俞允强，2003，“热大爆炸宇宙学”，北京大学出版社，北京.

 

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