參數化後牛頓重力形式

在不同的引力度規理論中，決定時空度規的場方程式具有很大的差異。但是，在弱場和慢運動及低能的情況下，幾乎所有度規理論的時空度規都具有相同的結構，都可以寫成閔考斯基度規加上微擾，並按照由系統的物質變量所定義的各種引力勢的冪級數展開。各種度規理論都具有相同形式的度規展開式，它們的區別僅在於展開係數有不同的值。這樣，就可以用一個統一的後牛頓理論來描述各種度規理論。這樣一個統一的理論稱為
參數化後牛頓（PPN）形式體系，度規展開式中的展開係數稱為 PPN 參數。

## 坐標系

採用近整體羅倫茲坐標系，其中的坐標為 $\left(t,{{x}^{1}},{{x}^{2}},{{x}^{3}}\right)$ 。始終用 3 維歐幾里得矢量記號。所有的坐標任意性（「規範自由度」）已用對標準的 PPN 規範專門化的坐標除去。

## 物質變量

* （1） $\rho =$ 在與引力作用著的物質瞬時共動局部自由降落系中測量的靜質量密度。
* （2） ${{v}^{i}}={\frac {d{{x}^{i}}}{dt}}=$ 物質的坐標速度。
* （3） ${{w}^{i}}=$ PPN 坐標系（相對於宇宙平均靜系）的坐標速度。
* （4） $p=$ 在與物質瞬時共動的自由降落系中測量的壓力。
* （5） $\pi =$ 單位靜質量的內能，它包括所有形式的非靜質量、非引力的能量，即壓力能和熱能。

## PPN 參數

$$
\gamma ,\beta ,\xi ,{{\alpha }_{1}},{{\alpha }_{2}},{{\alpha }_{3}},{{\zeta }_{1}},{{\zeta }_{2}},{{\zeta }_{3}},{{\zeta }_{4}}
$$

## 度規勢

* 1、 $U=\int {\frac {\rho ({x}')}{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}}{{d}^{3}}{x}'$
* 2、 ${{U}_{ij}}=\int {{\frac {\rho ({\vec {x}}')}{{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}^{3}}}({{x}_{i}}-{{x}_{i}}^{\prime })({{x}_{j}}-{{x}_{j}}^{\prime }){{d}^{3}}{x}'}$
* 3、 ${{\Phi }_{w}}=\int {{\frac {\rho ({\vec {x}}')\rho ({\vec {x}}'')}{{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}^{3}}}\left(\left({\vec {x}}-{\vec {x}}'\right)\cdot \left({\frac {\left({\vec {x}}'-{\vec {x}}''\right)}{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}''\right|}}-{\frac {\left({\vec {x}}-{\vec {x}}''\right)}{\left|{\vec {x}}'-{\vec {x}}''\right|}}\right)\right){{d}^{3}}{x}'{{d}^{3}}{x}''}$
* 4、 $A=\int {\frac {\rho ({\vec {x}}'){{\left({\vec {v}}'\centerdot ({\vec {x}}-{\vec {x}}')\right)}^{2}}}{{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}^{3}}}{{d}^{3}}{x}'$
* 5、 ${{\Phi }_{1}}=\int {\frac {\rho ({{\vec {x}}'}){{{v}'}^{2}}}{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}}{{d}^{3}}{x}'$
* 5、 ${{\Phi }_{1}}=\int {\frac {\rho ({{\vec {x}}'}){{{v}'}^{2}}}{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}}{{d}^{3}}{x}'$

 

* 6、 ${{\Phi }_{2}}=\int {\frac {\rho ({\vec {x}}')U({\vec {x}}')}{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}}{{d}^{3}}{x}'$
* 7、 ${{\Phi }_{3}}=\int {\frac {\rho ({\vec {x}}')\pi ({\vec {x}}')}{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}}{{d}^{3}}{x}'$
* 8、 ${{\Phi }_{4}}=\int {\frac {p({\vec {x}}')}{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}}{{d}^{3}}{x}'$
* 9、 ${{V}_{i}}=\int {{\frac {\rho ({\vec {x}}'){{{v}_{i}}'}}{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}}{{d}^{3}}{x}'}$
* 10、 ${{W}_{i}}=\int {{\frac {\rho ({\vec {x}}')\left({\vec {v}}'\centerdot ({\vec {x}}-{\vec {x}}')\right)\left({{x}_{i}}-{{x}_{i}}^{\prime }\right)}{{\left|{\vec {x}}-{\vec {x}}'\right|}^{3}}}{{d}^{3}}{x}'}$

## 度規

 * ${\begin{aligned}&{{g}_{00}}=-1+2U-2\beta {{U}^{2}}-2\xi {{\Phi }_{w}}\\&\mathop {} _{}+(2\gamma +2+{{\alpha }_{3}}+{{\zeta }_{1}}-2\xi ){{\Phi }_{1}}\\&\mathop {} _{}+2(3\gamma -2\beta +1+{{\zeta }_{2}}+\xi ){{\Phi }_{2}}\\&\mathop {} _{}{\text{+}}2(1+{{\zeta }_{3}}){{\Phi }_{3}}\\&\mathop {} _{}+2(3\gamma +3{{\zeta }_{4}}-2\xi ){{\Phi }_{4}}\\&\mathop {} _{}-({{\zeta }_{1}}-2\xi )A-({{\alpha }_{1}}-{{\alpha }_{2}}-{{\alpha }_{3}}){{w}^{2}}U\\&\mathop {} _{}-{{\alpha }_{2}}{{w}^{i}}{{w}^{j}}{{U}_{ij}}+(2{{\alpha }_{3}}-{{\alpha }_{1}}){{w}^{i}}{{V}_{i}}+O\left({{\varepsilon }^{3}}\right)\\\end{aligned}}$
 * ${\begin{aligned}&{{g}_{0i}}=-{\frac {1}{2}}\left(4\gamma +3+{{\alpha }_{1}}-{{\alpha }_{2}}+{{\zeta }_{1}}-2\xi \right){{V}_{i}}\\&-{\frac {1}{2}}\left(1+{{\alpha }_{2}}-{{\zeta }_{1}}+2\xi \right){{W}_{i}}-{\frac {1}{2}}\left({{\alpha }_{1}}-2{{\alpha }_{2}}\right){{w}^{i}}U-{{\alpha }_{2}}{{w}^{i}}{{U}_{ij}}+O\left({{\varepsilon }^{5/2}}\right)\\\end{aligned}}$
 * ${\begin{aligned}{{g}_{ij}}=(1+2\gamma U){{\delta }_{ij}}+O\left({{\varepsilon }^{2}}\right)\end{aligned}}$

## 應力能量張量（理想流體）

 * ${{T}^{00}}=\rho \left(1+\pi +{{v}^{2}}+2U\right)$
* ${{T}^{0i}}=\rho \left(1+\pi +{{v}^{2}}+2U+{\frac {p}{\rho }}\right){{v}^{i}}$
* ${{T}^{ij}}=\rho {{v}^{i}}{{v}^{j}}\left(1+\pi +{{v}^{2}}+2U+{\frac {p}{\rho }}\right)+p{{\delta }^{ij}}\left(1-2\gamma U\right)$

## 運動方程式

* (1) 受應力的物質： ${{T}^{\mu \nu }}_{;\nu }=0$
* (2) 檢驗物體： ${\frac {{{d}^{2}}{{x}^{\mu }}}{d{{\lambda }^{2}}}}+\Gamma _{\alpha \beta }^{\mu }{{u}^{\alpha }}{{u}^{\beta }}=0$
* (3) Maxswell 方程組： ${{F}^{\mu \nu }}_{;\nu }={{\mu }_{0}}{{J}^{\mu }},{{F}_{\mu \nu }}={{A}_{\nu ;\mu }}-{{A}_{\mu ;\nu }}$

## 各種度規理論的 PPN 參數比較

## 參考文獻

1. 鄭慶璋，崔世治。广义相对论基本教程。廣州：中山大學出版社. 1991 （中文）.
2. C.M.Will. Theory and experiment in gravitational Physics. Canbridge: Cambridge Uni.,Press. 1981 （英語）.
3. 秦榮先，閻永廉。广义相对论与引力理论实验检验。上海：上海科技日報社. 1987 （中文）.
4. Will, C.M. The Confrontation between General Relativity and Experiment. Living Rev. Relativity. 2009. （原始內容存檔於 2019-12-10） （英語）.