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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** Γ μνλ:=ρ=0312gλρ(μgνρ+νgμρρgμν)  **リッチテンソル** Rμν=α=03β=03(αΓ μνανΓ μαα+Γ βααΓ μνβΓ βναΓ μαβ)  **リッチスカラー** R=μ=03ν=03gμνRμν  **運動量エネルギーテンソル** Tμν=(ρ+Pc2)uμuν+Pgμν  **アインシュタインテンソル** Gμν=Rμν12Rgμν
 空間の歪みを表すアインシュタインテンソルGμνと物質場を表す運動量エネルギーテンソルTμνが比例関係にあると思わる。 Gμν=κTμν リッチテンソルを使うと、 Rμν12Rgμν=κTμν この比例定数κ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κ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P=0である。更に重力場を作る天体は原点Oで静止している想定で4元速度はuμ=(c,0,0,0)まずはエネルギー運動量テンソルTμνは、 Tμν={ρc2(μ=ν=0)0() 物質場を作る天体の体積をVε質量をMとすると、 ρ=MVε が成り立つものとする。天体の外側ではρ=0
(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 gμν={1(μ=ν=0)1(μ=ν=1,2,3)0(μν) 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、 (gμν)(1000010000100001) の対角行列になるので、逆行列も (gμν)(1/(1)00001/100001/100001/1)=(gμν) 同じであることが分かる。また計量テンソルgμν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。 μgαβνgγδ0 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。 Γ αβμΓ γδν0
それではκ求めよう。アインシュタイン方程式を成分ごとに表すと、 G00=κT00G01=κT01G02=κT02G03=κT03 G10=κT10G11=κT11G12=κT12G13=κT13 G20=κT20G21=κT21G22=κT22G23=κT23 G30=κT30G31=κT31G32=κT32G33=κT33 運動量エネルギーテンソルTμνを代入すると G00=κρc2G01=0G02=0G03=0 G10=0G11=0G12=0G13=0 G20=0G21=0G22=0G23=0 G30=0G31=0G32=0G33=0 計量テンソルの逆行列gμνを両辺に掛けると g00G00=κρc2g01G01=0g02G02=0g03G03=0 g10G10=0g11G11=0g12G12=0g13G13=0 g20G20=0g21G21=0g22G22=0g23G23=0 g30G30=0g31G31=0g32G32=0g33G33=0 この16個の式の両辺を全て足すと、右辺はκρc2、左辺は、 μ=03ν=03gμνGμν=μ=03ν=03(gμνRμν12Rgμνgμν) gμνRμνはリッチテンソルRになるので、 μ=03ν=03gμνGμν=R12Rμ=03ν=03gμνgμν 今回考えている計量はμνならばgμν=0なので、gμμgμμのみ残る。 =R12R(g00g00+g11g11+g22g22+g33g33) =R12R((1)×(1)+1×1+1×1+1×1) gμνGμν=R2R=R つまり、 R=κρc2 これをもとのアインシュタイン方程式に代入すると、 Rμν12κρc2gμν=κTμν この式の00成分は、 R0012κρc2(1)=κρc2 R00=κ12ρc2 さてここまでくればリッチテンソルの00成分を求めるのみ、 Rμν=α=03β=03(αΓ μνανΓ μαα+Γ βααΓ μνβΓ βναΓ μαβ) 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。 Rμνα=03(αΓ 00α0Γ 0αα) クリストッフェルの記号を計量テンソルgμν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0Γ 0αα=0 R00=α=03αΓ 00α =α=03αρ=0312gαρ(0g0ρ+0g0ρρg00) 計量テンソルは時間変化しないので、時間微分0の項は消える。の時間微分の項も消えるので、 R00=α=13αρ=1312gαρρg00 αρならばgαρ=0α=ρならばgλρ=1なので、 R00=12(12g00+22g00+32g00)=12κρc2 ここからベクトル解析の手法を使う。 (g00)=κρc2 天体の領域Vϵで面積分すると、 Vϵ(g00)dV=Vϵκρc2dV 測地線方程式のページでg00=1+2GMc2rであったことを活用しよう。計算は省略しますが、 g00=2GMc2r2er なので、 Vϵ(g00)dV=Vϵκρc2dV=κMc2 ガウスの定理VAdV=VA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。 Vϵ2GMc2r2erdS=κMc2 天体の球体とみなして半径をrϵとすると 2GMc2rϵ2(4πrϵ2)=κMc2 κ=8πGc4 やっと求められた。
**アインシュタイン方程式**
 物質場Tμνと時空の歪みを表すGμνは比例関係にあると考えられ、8πG/c4を係数とする。 Gμν=8πGc4Tμν
/* おまけ
アインシュタイン方程式 Gμν=8πGc4Tμν 物質場Tμνを与えることで時空間の計量gμνを答えてくれる方程式である。時空間の計量gμνが分かっていると測地線方程式 duμdτ+Γ νξμuνuξ=0 から軌道を求めることができる。今はκを求めるために逆の手順を踏んで万有引力の法則 mdvidt=GMmr2xir 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κを見つけた。
終わり */