史瓦西度规
天文学家史瓦西求出的爱因斯坦方程的第一个严格解
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.
数学定义
其中是牛顿的万有引力常数,是天体质量。
形成过程
广义相对论的提出
场方程的提出
接下来讨论的史瓦西解也即第一个得出的场方程的严格解,这也是史瓦西黑洞的基础。
推导过程
爱因斯坦引力场确立以后,史瓦西首先求出了真空场方程
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。
(以下一直采用 的自然单位制
(注意下面的 不是 ,前者是希腊字母的第十三个,后者是英文字母 v)
采用球坐标 ,由球对称的度规场中已知的结论
可知,度规分量有形式
所有非对角分量为零,再可以解出
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.
先按照公式
算出克里斯多夫联络的非零分量为
其中的 和 分别是 和 对 的微商,即导数.然后可以按定义得出以下的式子
这里的展开是按照曲率张量中的定义得到的.接着计算里奇张量(里契张量).得到了以下的非零分量:
这样真空场方程具体化为
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.
用 减去 得出:
立解的下式:
将 式代入 式消去 ,得
即 .它的解可以写成
再利用 式,可得
注意到 ,令 相当于改变时间尺度,于是最后解得:
其中又有关于弱场的牛顿近似
对比上三式,可以看出 .相应把不变距离公式写成
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。
重要性及其意义
有两条理由使得史瓦西时空几何极为重要。
1、它是对太阳系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
史瓦西半径
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。
参考资料
最新修订时间:2024-05-16 21:27
目录
概述
数学定义
形成过程
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