史瓦西解,是指天文学家史瓦西(旧译席瓦希尔)求出的
爱因斯坦方程的第一个严格解。这个解表明球外
引力场只取决于引力源的
总质量。亦称史瓦西外部解.
的一个稳定的球对称解。它描述的是静止球对称引力源外部的引力场,因此正是牛顿
引力定律的相对论对应。下面作简单的推导。
是由 的定义解出的.所有的非对角分量也为零.这时候引力源是静止的,因此它的引力场也应当与 无关.这里待求的 和 都只是 的函数.下面来求解这两个函数.
上面的三个方程是 和 联立的微分方程组,这三个方程只有两个是独立的,那是因为
爱因斯坦张量必须满足毕安基恒等式
的后果.
此即球对称外引力场的史瓦西解.
值得一提的是,1914年,
第一次世界大战爆发,史瓦西虽然已经年过40,仍然参加了德军,而且达到炮兵上尉的军衔。正是在
俄国战场前线,史瓦西得到了
引力场方程的第一个
精确解,并在1915年12月22日将结果寄给了爱因斯坦。爱因斯坦对史瓦西的结果极为赞赏,特别是之前爱因斯坦本人只得到了引力场方程的
近似解,并以此对
水星的近日点进动进行了解释。
1、它是对
太阳系中
引力场的一个很好的描述。太阳本身近乎球形,其周围物质的质量很小,以至于可以被看作真空,太阳系中所有光线和行星、
彗星等物体的运动轨道因而就是史瓦西
弯曲时空的
测地线。这些运动轨道能被计算出来,并与经过太阳附近的光线和行星近日点进动的
观测值精确相符,而这些现象是牛顿
引力理论所不能解释的。
2、史瓦西几何又具有
普适性,因为它与恒星的类型无关,而只依赖于一个参量,即质量。太阳和相同质量
中子星周围的引力场是同样的,一个相同的“点”质量也是如此。
史瓦西解描述了一个静止的、不带电的、
球对称的天体外部的引力场,或者说是其外部时空的弯曲情况,通常称之为史瓦西外部解或史瓦西度规。
史瓦西解得出的引力场与牛顿引力场有一个很重要的共同点.球外的引力场只取决于引力源的
总质量,而与引力源的大小和物质密度随r的
分布无关.因此若只观测这种引力场,我们只能推知源的总质量,而不能获得关于源的
其他信息。
随着向点状引力源的趋近,
时空几何出现
奇异行为。更惊奇的是,奇异性在临界距离 处开始出现,这里M是中心星的质量,G是牛顿的
万有引力常数,c是光速(以下将这个公式简化为r=2M),这个临界距离与
引力质量成正比,对
太阳质量是3公里,对100万倍太阳质量是300万公里,对地球则是1厘米(9mm)。这个距离就叫做
史瓦西半径,它不是别的,正是按照牛顿方式计算的表面
逃逸速度达到光速的星体尺度。
按照史瓦西解,在临界半径r=2M以内,
空间和时间都丧失了自己的特征。在这个半径以内用以测量距离和时间的规则都失效了,时间变成0,而距离趋于无限。
根据史瓦西半径,如果一个重力天体的半径小于史瓦西半径,天体将会发生坍塌。在这个半径以下的天体,其间的
时空弯曲得如此厉害,以至于其发射的所有射线,无论是来自什么方向的,都将被吸引入这个天体的中心。因为
相对论指出任何物质都不可能超越光速,在史瓦西半径以下的天体的任何物质——包括重力天体的组成物质——都将塌陷于中心部分。一个有理论上无限
密度组成的点组成重力奇点(gravitational singularity)。由于在史瓦西半径内连光线都不能逃出黑洞,所以一个典型的黑洞确实是“黑”的。