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アインシュタイン方程式
/* 補足 */
**クリストッフェルの記号**
**リッチテンソル**
**リッチスカラー**
**運動量エネルギーテンソル**
**アインシュタインテンソル**
空間の歪みを表すアインシュタインテンソルと物質場を表す運動量エネルギーテンソルが比例関係にあると思わる。
リッチテンソルを使うと、
この比例定数を決めたい。せめて古典力学的な近似をして、万有引力の法則を再現するようなを決めるため2つの条件を与える。
(1)運動量エネルギーテンソルの条件
古典力学で考える太陽のような動かない物体が作る物質場を考えよう。天体1つが作る重力場を考えるため、物質同士が接触していない想定で圧力はである。更に重力場を作る天体は原点で静止している想定で4元速度はまずはエネルギー運動量テンソルは、
物質場を作る天体の体積を質量をとすると、
が成り立つものとする。天体の外側では
(2)弱い重力場の条件
空間の歪みをほぼ無視して計量テンソルは
に非常に近い計量で時間変化しないも考える。行列の表記をすると、
の対角行列になるので、逆行列も
同じであることが分かる。また計量テンソルはほぼ変化しないので、微分はかなり小さく、2次以上は0とみなす。
クリストッフェルの記号も計量テンソルの微分でできているので、2次以上も0とみなす。
それでは求めよう。アインシュタイン方程式を成分ごとに表すと、
運動量エネルギーテンソルを代入すると
計量テンソルの逆行列を両辺に掛けると
この16個の式の両辺を全て足すと、右辺は、左辺は、
はリッチテンソルになるので、
今回考えている計量はならばなので、のみ残る。
つまり、
これをもとのアインシュタイン方程式に代入すると、
この式の成分は、
さてここまでくればリッチテンソルの成分を求めるのみ、
条件(2)よりクリストッフェルの記号の2次以降を0とみなす。
クリストッフェルの記号を計量テンソルを使って表すと、第一項目は計量テンソルが時間的に変換しないので、計量テンソルでできているクリストッフェルの記号の時間微分も
計量テンソルは時間変化しないので、時間微分の項は消える。の時間微分の項も消えるので、
ならば、ならばなので、
ここからベクトル解析の手法を使う。
天体の領域で面積分すると、
測地線方程式のページでであったことを活用しよう。計算は省略しますが、
なので、
ガウスの定理を使おう。電磁気学のガウスの法則のページも参照されたい。
天体の球体とみなして半径をとすると
やっと求められた。
**アインシュタイン方程式**
物質場と時空の歪みを表すは比例関係にあると考えられ、を係数とする。
/* おまけ
アインシュタイン方程式
物質場を与えることで時空間の計量を答えてくれる方程式である。時空間の計量が分かっていると測地線方程式
から軌道を求めることができる。今はを求めるために逆の手順を踏んで万有引力の法則
から、測地線方程式で計量を求めて、その計量を満たすアインシュタイン方程式の比例係数を見つけた。
終わり */