Уравнения поля Эйнштейна

В общей теории относительности уравнения поля Эйнштейна ( EFE ; также известные как уравнения Эйнштейна ) связывают геометрию пространства-времени с распределением материи внутри него. [1]

Уравнения были опубликованы Альбертом Эйнштейном в 1915 году в форме тензорного уравнения. [2] что связано с местными пространства-времени кривизна (выраженная тензором Эйнштейна ) с локальной энергией, импульсом и напряжением внутри этого пространства-времени (выраженная тензором энергии-импульса ). [3]

Аналогично тому, как электромагнитные поля связаны с распределением зарядов и токов посредством уравнений Максвелла , ЭФЭ связывают геометрию пространства-времени с распределением массы-энергии, импульса и напряжения, то есть они определяют метрический тензор пространства-времени для заданное расположение напряжения-энергии-импульса в пространстве-времени. Связь между метрическим тензором и тензором Эйнштейна позволяет записать EFE как набор нелинейных уравнений в частных производных при таком использовании. Решения ЭФЭ являются компонентами метрического тензора. Инерционные геодезические траектории частиц и излучения ( ) в полученной геометрии затем рассчитываются с использованием уравнения геодезических .

Помимо сохранения локальной энергии-импульса, EFE сводится к закону гравитации Ньютона в пределе слабого гравитационного поля и скоростей, которые намного меньше скорости света . [4]

Точные решения для EFE можно найти только при упрощающих предположениях, таких как симметрия . специальные классы точных решений Чаще всего изучаются , поскольку они моделируют многие гравитационные явления, такие как вращающиеся черные дыры и расширяющаяся Вселенная . Дальнейшее упрощение достигается при аппроксимации пространства-времени как имеющего лишь небольшие отклонения от плоского пространства-времени , что приводит к линеаризованному EFE . Эти уравнения используются для изучения таких явлений, как гравитационные волны .

Математическая форма [ править ]

Уравнения поля Эйнштейна (ЭУЭ) можно записать в виде: [5] [1]

EFE на стене в Лейдене , Нидерланды.

где тензор Эйнштейна , метрический тензор , тензор энергии-импульса , космологическая постоянная и гравитационная постоянная Эйнштейна.

Тензор Эйнштейна определяется как

где тензор кривизны Риччи , скалярная кривизна . Это симметричный тензор второй степени, зависящий только от метрического тензора и его первой и второй производных.

определяется Гравитационная постоянная Эйнштейна как [6] [7]

или

где G гравитационная постоянная Ньютона , а c скорость света в вакууме .

Таким образом, EFE также можно записать как

В стандартных единицах измерения каждый термин слева имеет единицы измерения 1/длина. 2 .

Выражение слева представляет кривизну пространства-времени, определенную метрикой; выражение справа представляет собой содержание напряжения-энергии-импульса пространства-времени. Тогда EFE можно интерпретировать как набор уравнений, определяющих, как напряжение-энергия-импульс определяет кривизну пространства-времени.

Эти уравнения вместе с уравнением геодезических , [8] которая определяет, как свободно падающая материя движется в пространстве-времени, составляет ядро ​​математической формулировки общей теории относительности .

EFE — это тензорное уравнение, связывающее набор симметричных тензоров 4 × 4 . Каждый тензор имеет 10 независимых компонент. Четыре тождества Бьянки уменьшают количество независимых уравнений с 10 до 6, оставляя метрику с четырьмя фиксирующими калибровку степенями свободы , которые соответствуют свободе выбора системы координат.

Хотя уравнения поля Эйнштейна изначально были сформулированы в контексте четырехмерной теории, некоторые теоретики исследовали их последствия в n измерениях. [9] Уравнения в контекстах, выходящих за рамки общей теории относительности, до сих пор называются уравнениями поля Эйнштейна. Уравнения вакуумного поля (полученные, когда T µν всюду равна нулю) определяют многообразия Эйнштейна .

Уравнения сложнее, чем кажутся. При заданном распределении вещества и энергии в виде тензора энергии-импульса под ЭФЭ понимаются уравнения для метрического тензора , поскольку и тензор Риччи, и скалярная кривизна зависят от метрики сложным нелинейным образом. В полностью написанном виде EFE представляет собой систему десяти связанных нелинейных гиперболо-эллиптических уравнений в частных производных . [10]

Соглашение о подписании [ править ]

Вышеуказанная форма EFE является стандартом, установленным Миснером, Торном и Уилером (MTW). [11] Авторы проанализировали существующие конвенции и классифицировали их по трем признакам ([S1] [S2] [S3]):

Третий знак выше связан с выбором соглашения для тензора Риччи:

Используя эти определения , Миснер, Торн и Уиллер относят себя к (+ + +) , тогда как Вайнберг (1972) [12] есть (+ - -) , Пиблс (1980) [13] и Эфстатиу и др. (1990) [14] являются (- + +) , Риндлер (1977), [ нужна ссылка ] Этуотер (1974), [ нужна ссылка ] Коллинз Мартин и Сквайрс (1989) [15] и Павлин (1999) [16] являются (- + -) .

Авторы, в том числе Эйнштейн, использовали другой знак в своем определении тензора Риччи, в результате чего знак константы в правой части становится отрицательным:

Знак космологического термина изменился бы в обеих этих версиях, если бы (+ - - -), соглашение о метрических знаках использовалось а не принятое здесь соглашение о знаках метрики MTW (- + + +) .

составы Эквивалентные

Проследив по метрике обеих сторон EFE, получим

где D — размерность пространства-времени. Решая R и подставляя его в исходный EFE, можно получить следующую эквивалентную форму с «обратной трассировкой»:

В D = 4 измерениях это сводится к

Повторное обращение трассировки восстановит исходный EFE. Форма с обращенным следом может быть более удобной в некоторых случаях (например, когда кто-то интересуется пределом слабого поля и может заменить в выражении справа с метрикой Минковского без существенной потери точности).

Космологическая постоянная [ править ]

В уравнениях поля Эйнштейна

термин, содержащий космологическую постоянную Λ, отсутствовал в версии, в которой он их первоначально опубликовал. Затем Эйнштейн включил этот термин в космологическую постоянную, чтобы учесть вселенную, которая не расширяется и не сжимается . Эта попытка не увенчалась успехом, потому что:

  • любое желаемое стационарное решение, описываемое этим уравнением, неустойчиво, и
  • наблюдения Эдвина Хаббла показали, что наша Вселенная расширяется .

Затем Эйнштейн отказался от Λ , заметив Георгию Гамову , что «введение космологического термина было величайшей ошибкой в ​​его жизни». [17]

Включение этого термина не создает противоречий. В течение многих лет космологическая постоянная почти повсеместно считалась равной нулю. Более поздние астрономические наблюдения показали ускоряющееся расширение Вселенной положительное значение Λ . , и для объяснения этого необходимо [18] [19] Космологическая постоянная незначительна в масштабе галактики или меньше.

Эйнштейн считал космологическую константу независимым параметром, но ее член в уравнении поля также можно алгебраически переместить в другую сторону и включить как часть тензора энергии-импульса:

Этот тензор описывает состояние вакуума с плотностью энергии ρ vac и изотропным давлением p vac , которые являются фиксированными константами и определяются выражением

где предполагается, что Λ имеет единицу СИ m −2 и κ определяется, как указано выше.

Таким образом, существование космологической постоянной эквивалентно существованию энергии вакуума и давления противоположного знака. Это привело к тому, что термины «космологическая постоянная» и «энергия вакуума» стали взаимозаменяемыми в общей теории относительности.

Особенности [ править ]

Сохранение энергии и импульса [ править ]

Общая теория относительности согласуется с локальным сохранением энергии и импульса, выраженным как

Вывод локального закона сохранения энергии-импульса.

Стягивание дифференциального тождества Бьянки

с г аб дает, используя тот факт, что метрический тензор ковариантно постоянен, т. е. g аб = 0 ,

Антисимметрия тензора Римана позволяет переписать второй член в приведенном выше выражении:

что эквивалентно
используя определение тензора Риччи .

Далее снова сжимаем метрику

получить

Определения тензора кривизны Риччи и скалярной кривизны показывают, что

который можно переписать как

Окончательное сокращение с g Эд дает

что в силу симметрии члена в квадратных скобках и определения тензора Эйнштейна дает после переобозначения индексов

Используя EFE, это сразу дает:

что выражает локальное сохранение энергии-напряжения. Этот закон сохранения является физическим требованием. С помощью своих уравнений поля Эйнштейн обеспечил соответствие общей теории относительности этому условию сохранения.

Нелинейность [ править ]

Нелинейность ЭФЭ отличает общую теорию относительности от многих других фундаментальных физических теорий. Например, Максвелла уравнения электромагнетизма , а линейны в электрическом и магнитном полях также в распределениях заряда и тока (т.е. сумма двух решений также является решением); Другой пример — Шредингера уравнение квантовой механики , линейное по волновой функции .

Принцип соответствия [ править ]

EFE сводится к закону гравитации Ньютона , используя как приближение слабого поля , так и приближение медленного движения . Фактически, константа G, появляющаяся в EFE, определяется этими двумя приближениями.

Вывод закона гравитации Ньютона

Ньютоновскую гравитацию можно записать как теорию скалярного поля Φ , которое представляет собой гравитационный потенциал гравитационного поля в джоулях на килограмм g = −∇Φ , см. закон Гаусса для гравитации.

где ρ — массовая плотность. Орбита свободно падающей частицы удовлетворяет

В тензорной записи они становятся

В общей теории относительности эти уравнения заменяются уравнениями поля Эйнштейна в форме с обращенным следом.

для некоторой константы K и уравнения геодезических

Чтобы увидеть, как последнее сводится к первому, предположим, что скорость пробной частицы примерно равна нулю.

и таким образом
и что метрика и ее производные приблизительно статичны и что квадраты отклонений от метрики Минковского пренебрежимо малы. Применение этих упрощающих предположений к пространственным компонентам уравнения геодезических дает
где два фактора dt / были разделены. Это приведет к его ньютоновскому аналогу при условии, что

Наши предположения заставляют α = i и производные по времени (0) равняться нулю. Таким образом, это упрощает

который удовлетворяется, позволяя

Обращаясь к уравнениям Эйнштейна, нам нужна только временная составляющая

предположения о низкой скорости и статическом поле подразумевают, что

Так

и таким образом

Из определения тензора Риччи

Наши упрощающие предположения приводят к исчезновению квадратов Γ вместе с производными по времени

Объединив приведенные выше уравнения вместе

что сводится к уравнению ньютоновского поля при условии
что произойдет, если

Уравнения вакуумного поля [ править ]

Швейцарская памятная монета 1979 года с изображением уравнений вакуумного поля с нулевой космологической постоянной (вверху).

Если тензор энергии-импульса T µν равен нулю в рассматриваемой области, то уравнения поля также называют уравнениями вакуумного поля . Установив T µν = 0 в уравнениях поля с обращенными следами , уравнения вакуумного поля, также известные как «вакуумные уравнения Эйнштейна» (EVE), можно записать как

В случае ненулевой космологической постоянной уравнения имеют вид

Решения уравнений вакуумного поля называются вакуумными решениями . Плоское пространство Минковского — простейший пример вакуумного решения. Нетривиальные примеры включают решение Шварцшильда и решение Керра .

Многообразия с исчезающим тензором Риччи , R µν = 0 , называются Риччи-плоскими многообразиями , а многообразия с тензором Риччи, пропорциональным метрике, — многообразиями Эйнштейна .

Уравнения Эйнштейна–Максвелла [ править ]

Если тензор энергии-импульса T µν является тензором электромагнитного поля в свободном пространстве , т.е. если тензор электромагнитного напряжения-энергии

используется, то уравнения поля Эйнштейна называются уравнениями Эйнштейна – Максвелла космологической постоянной Λ , принимаемой равной нулю в традиционной теории относительности):

Кроме того, ковариантные уравнения Максвелла применимы и в свободном пространстве:

где точка с запятой представляет ковариантную производную , а скобки обозначают антисимметризацию . Первое уравнение утверждает, что 4- дивергенция F 2-формы равна нулю, а второе — что ее внешняя производная равна нулю. Из последнего по лемме Пуанкаре следует , что в координатной карте можно ввести потенциал электромагнитного поля A α такой, что
в котором запятая обозначает частную производную. Это часто воспринимается как эквивалент ковариантного уравнения Максвелла, из которого оно выведено. [20] Однако существуют глобальные решения уравнения, которым может не хватать глобально определенного потенциала. [21]

Решения [ править ]

Решения уравнений поля Эйнштейна являются метриками пространства -времени . Эти метрики описывают структуру пространства-времени, включая инерционное движение объектов в пространстве-времени. Поскольку уравнения поля нелинейны, их не всегда можно решить полностью (т.е. без приближений). Например, не существует известного полного решения для пространства-времени с двумя массивными телами в нем (которым является, например, теоретическая модель двойной звездной системы). Однако в таких случаях обычно делаются приближения. Их обычно называют постньютоновскими приближениями . Несмотря на это, есть несколько случаев, когда уравнения поля были решены полностью, и они называются точными решениями . [9]

Исследование точных решений уравнений поля Эйнштейна — одно из направлений деятельности космологии . Это приводит к предсказанию черных дыр и к различным моделям эволюции Вселенной .

Можно также найти новые решения уравнений поля Эйнштейна с помощью метода ортонормированных систем отсчета, впервые предложенного Эллисом и МакКаллумом. [22] В этом подходе уравнения поля Эйнштейна сводятся к набору связанных нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Как обсуждали Сюй и Уэйнрайт, [23] автомодельные решения уравнений поля Эйнштейна являются неподвижными точками результирующей динамической системы . С помощью этих методов ЛеБлан обнаружил новые решения. [24] и Кохли и Хаслам. [25]

Линеаризованный EFE [ править ]

Нелинейность EFE затрудняет поиск точных решений. Один из способов решения уравнений поля состоит в том, чтобы сделать приближение, а именно, что вдали от источника(ов) гравитирующей материи гравитационное поле очень слабое, а пространство-время приближается к пространству Минковского . Затем метрика записывается как сумма метрики Минковского и члена, представляющего отклонение истинной метрики от метрики Минковского , игнорируя члены более высокой степени. Эту процедуру линеаризации можно использовать для исследования явлений гравитационного излучения .

Полиномиальная форма [ править ]

Несмотря на то, что EFE в том виде, в котором он записан, содержит инверсию метрического тензора, их можно расположить в форме, которая содержит метрический тензор в полиномиальной форме и без его инверсии. Во-первых, определитель метрики в 4-х измерениях можно записать

используя символ Леви-Чивита ; а обратную метрику в 4-х измерениях можно записать как:

Подстановка этого выражения обратной метрики в уравнения, а затем умножение обеих частей на подходящую степень det( g ), чтобы исключить его из знаменателя, приводит к полиномиальным уравнениям в метрическом тензоре и его первой и второй производных. Действие, из которого выводятся уравнения, также можно записать в полиномиальной форме путем подходящих переопределений полей. [26]

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Jump up to: а б Эйнштейн, Альберт (1916). «Основы общей теории относительности» . Аннален дер Физик . 354 (7): 769. Бибкод : 1916АнП...354..769Е . дои : 10.1002/andp.19163540702 . Архивировано из оригинала ( PDF ) 6 февраля 2012 г.
  2. ^ Эйнштейн, Альберт (25 ноября 1915 г.). «Полевые уравнения гравитации» . Труды Прусской академии наук в Берлине : 844–847 . Проверено 21 августа 2017 г.
  3. ^ Миснер, Торн и Уилер (1973) , с. 916 [гл. 34].
  4. ^ Кэрролл, Шон (2004). Пространство-время и геометрия. Введение в общую теорию относительности . Эддисон Уэсли. стр. 151–159. ISBN  0-8053-8732-3 .
  5. ^ Грон, Эйвинд; Хервик, Сигбьорн (2007). Общая теория относительности Эйнштейна: с современными приложениями в космологии (иллюстрированное издание). Springer Science & Business Media. п. 180. ИСБН  978-0-387-69200-5 .
  6. ^ При выборе гравитационной постоянной Эйнштейна, как указано здесь, κ = 8 πG / c 4 тензор энергии-импульса в правой части уравнения должен быть записан с каждым компонентом в единицах плотности энергии (т. е. энергии на объем, что эквивалентно давлению). В оригинальной публикации Эйнштейна выбор κ = 8 πG / c. 2 , и в этом случае компоненты тензора энергии-импульса имеют единицы массовой плотности.
  7. ^ Адлер, Рональд; Базен, Морис; Шиффер, Менахем (1975). Введение в общую теорию относительности (2-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN  0-07-000423-4 . ОСЛК   1046135 .
  8. ^ Вайнберг, Стивен (1993). Мечты об окончательной теории: поиск фундаментальных законов природы . Винтаж Пресс. стр. 107, 233. ISBN.  0-09-922391-0 .
  9. ^ Jump up to: а б Стефани, Ганс; Крамер, Д.; МакКаллум, М.; Хоэнселерс, К.; Херлт, Э. (2003). Точные решения уравнений поля Эйнштейна . Издательство Кембриджского университета . ISBN  0-521-46136-7 .
  10. ^ Рендалл, Алан Д. (2005). «Теоремы существования и глобальной динамики для уравнений Эйнштейна» . Живой преподобный Относительный . 8 (1). Номер статьи: 6. arXiv : gr-qc/0505133 . Бибкод : 2005LRR.....8....6R . дои : 10.12942/lrr-2005-6 . ПМК   5256071 . ПМИД   28179868 .
  11. ^ Миснер, Торн и Уилер (1973) , с. 501 и далее.
  12. ^ Вайнберг (1972) .
  13. ^ Пиблс, Филип Джеймс Эдвин (1980). Крупномасштабная структура Вселенной . Издательство Принстонского университета. ISBN  0-691-08239-1 .
  14. ^ Эфстатиу, Г.; Сазерленд, штат Вашингтон; Мэддокс, SJ (1990). «Космологическая постоянная и холодная темная материя». Природа . 348 (6303): 705. Бибкод : 1990Natur.348..705E . дои : 10.1038/348705a0 . S2CID   12988317 .
  15. ^ Коллинз, PDB; Мартин, AD; Сквайрс, Э.Дж. (1989). Физика элементарных частиц и космология . Нью-Йорк: Уайли. ISBN  0-471-60088-1 .
  16. ^ Павлин (1999) .
  17. ^ Гамов, Георгий (28 апреля 1970 г.). Моя мировая линия: неформальная автобиография . Викинг взрослый . ISBN  0-670-50376-2 . Проверено 14 марта 2007 г.
  18. ^ Валь, Николь (22 ноября 2005 г.). «Была ли «самая большая ошибка» Эйнштейна звездным успехом?» . Новости@УофТ . Университет Торонто. Архивировано из оригинала 7 марта 2007 г.
  19. ^ Тернер, Майкл С. (май 2001 г.). «Осмысление новой космологии». Межд. Дж. Мод. Физ. А. 17 (С1): 180–196. arXiv : astro-ph/0202008 . Бибкод : 2002IJMPA..17S.180T . дои : 10.1142/S0217751X02013113 . S2CID   16669258 .
  20. ^ Браун, Харви (2005). Физическая относительность . Издательство Оксфордского университета. п. 164. ИСБН  978-0-19-927583-0 .
  21. ^ Траутман, Анджей (1977). «Решения уравнений Максвелла и Янга – Миллса, связанные с расслоениями Хопфа». Международный журнал теоретической физики . 16 (9): 561–565. Бибкод : 1977IJTP...16..561T . дои : 10.1007/BF01811088 . S2CID   123364248 . .
  22. ^ Эллис, СКФ; МакКаллум, М. (1969). «Класс однородных космологических моделей» . Комм. Математика. Физ . 12 (2): 108–141. Бибкод : 1969CMaPh..12..108E . дои : 10.1007/BF01645908 . S2CID   122577276 .
  23. ^ Сюй, Л.; Уэйнрайт, Дж (1986). «Самоподобные пространственно-однородные космологии: ортогональные идеальные жидкости и вакуумные решения». Сорт. Квантовая гравитация . 3 (6): 1105–1124. Бибкод : 1986CQGra...3.1105H . дои : 10.1088/0264-9381/3/6/011 . S2CID   250907312 .
  24. ^ ЛеБлан, В.Г. (1997). «Асимптотические состояния магнитных космологий Бьянки I». Сорт. Квантовая гравитация . 14 (8): 2281. Бибкод : 1997CQGra..14.2281L . дои : 10.1088/0264-9381/14/8/025 . S2CID   250876974 .
  25. ^ Кохли, Икджьот Сингх; Хаслам, Майкл К. (2013). «Динамический системный подход к вязкой магнитогидродинамической модели Бьянки типа I». Физ. Преподобный Д. 88 (6): 063518. arXiv : 1304.8042 . Бибкод : 2013PhRvD..88f3518K . дои : 10.1103/physrevd.88.063518 . S2CID   119178273 .
  26. ^ Катанаев, МО (2006). «Полиномиальная форма действия Гильберта – Эйнштейна». Генерал Отл. Грав . 38 (8): 1233–1240. arXiv : gr-qc/0507026 . Бибкод : 2006GReGr..38.1233K . дои : 10.1007/s10714-006-0310-5 . S2CID   6263993 .

Ссылки [ править ]

См. ресурсы по общей теории относительности .

Внешние ссылки [ править ]

Внешние изображения [ править ]