tovább fel vissza

General relativity

Dr. Gyula Bene
Department for Theoretical Physics, Loránd Eötvös University
Pázmány Péter sétány 1/A, 1117 Budapest
1. week

Introduction

Literature Original articles:

Preliminaries: special relativity (A.Einstein, 1905)

Events, reference frame, inertial frame
Lorentz transform $$\begin{align}x'=\frac{x-vt}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}\end{align}$$ $$\begin{align}y'=y\end{align}$$ $$\begin{align}z'=z\end{align}$$ $$\begin{align}t'=\frac{t-\frac{v}{c^2}x}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}\end{align}$$ Maxwell's equations are covariant to Lorentz transforms $\bf{\rightarrow}$ The velocity of light is independent of the chosen inertial frame. Michelson, 1881, Michelson and Morley, 1887.
The is no distinguished inertial frame (principle of relativity) $\bf{\rightarrow}$ Lorentz transform expresses a basic symmetry of spacetime.
Interval: $$\begin{align}s^2=c^2t'^2-{\bf{r'}}^2=c^2t^2-{\bf{r}}^2\end{align}$$ Otherwise: $$\begin{align} s^2=g_{ik}x^ix^k \end{align}$$ where $$\begin{align} x^0=ct,\;x^1=x,\;x^2=y,\;x^3=z \end{align}$$ and $$\begin{align} g_{ik}={\rm diag}(1,-1,-1,-1) \end{align}$$ Proper time: $$\begin{align}\tau^2=t^2-\bf{r}^2/c^2\end{align}$$ Minkowski space. Timelike, spacelike, lightlike intervals.
x
Fig. 1. Causal structure of Minkowski space: light cones separate timelike and spacelike regions.
Time is not absolute: the relativity of simultaneity
x
Fig. 2. Simultaneity is relative: light signals arrive at B and C in coordinate frame K' at the same time while in frame K at different times.
$$\begin{align} x_1'\ne x_2',\; t_1'=t_2' \bf{\rightarrow} t_1\ne t_2 \end{align}$$ because Lorentz's transform implies $$\begin{align} t_2-t_1=\frac{\frac{v}{c^2}(x_2'-x_1')}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \end{align}$$ Lorentz contraction:
The two ends of a moving meter-stick measured in frame K: $(0,0)$ and $(0,L)$ (notation meaning $(t,x)$)
In comoving frame K' the same events are $(0,0)$ and $(t',L_0)$.
Applying Lorentz's transform we have $$\begin{align} L_0=\frac{L}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}\;, \end{align}$$ i.e. $$\begin{align} L=L_0\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}\;. \end{align}$$ Time dilatation:
Given pointer states of a moving clock (0 and $\tau$) measured in frame K : $(0,0)$ and $(t,x)$
In comoving frame K' the same events are $(0,0)$ és $(\tau,0)$
According to Lorentz's transform $$\begin{align} t=\frac{\tau}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \end{align}$$ Twin paradox
Transformation of velocities:
$$\begin{align} v_x=\frac{v'_x+V}{1+\frac{v'_xV}{c^2}} \end{align}$$ $$\begin{align} v_y=\frac{v'_y\sqrt{1-\frac{V^2}{c^2}}}{1+\frac{v'_xV}{c^2}} \end{align}$$ $$\begin{align} v_z=\frac{v'_z\sqrt{1-\frac{V^2}{c^2}}}{1+\frac{v'_xV}{c^2}} \end{align}$$ (cf. light aberration, change in the direction of propagation)
Four vectors
Four component quantities transforming like time and space coordinates: $$\begin{align}t, x, y, z\end{align}$$ $$\begin{align}E, p_x, p_y, p_z\end{align}$$ $$\begin{align}\phi, A_x, A_y, A_z\end{align}$$ Relativistic mechanics:
Four velocity: $$\begin{align} u^i=\frac{dx^i}{d\tau} \end{align}$$ $$\begin{align} u_x=\frac{v}{c\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \end{align}$$ $$\begin{align} u_t=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \end{align}$$ Four momentum: $$\begin{align} p^i=m u^i \end{align}$$ Timelike component: energy.
Principle of the least action: $$\begin{align} S=-mc\int_a^b ds \end{align}$$ Lagrangian: $$\begin{align} L=-mc^2\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}} \end{align}$$ In the limit $c\rightarrow \infty$ one obtains nonrelativistic Newtonian mechanics.

Basic concepts

General relativity implements the demand that laws of physics should be expressed in any coordinate system (not only in inertial systems) in a uniform, covariant manner. This also means that such a description should be possible in accelerating frames.
Applying special relativity, one concludes that in an accelarating frame the geometry of space is no longer Eucledian, hence the spacetime geometry is not Minkowskian, either. Such general geometries are characterized by the metric tensor.
In general relativity the principle of equivalence plays a central role. It tells that locally one cannot distinguish between an accelerating frame and a gravitational field. Since the laws of physics are local laws, spacetime is also non-Minkowskian in gravitational fields and is described via some metric tensor.
If the metric tensor is given, other laws of physics can be generalized by simply substituting derivatives with covariant derivatives.
Gravitational fields are created by masses, or more generally, the source of gravitational fields is the energy-momentum tensor. This connection is expressed by Einstein's equations.

Example of an accelarating reference frame: uniformly rotating system of coordinates

\includegraphics{abra2.eps}
Fig. 3. Metre-sticks placed along the circumference of the rotating disk are Lorentz-contracted, while those placed along the radius are not effected.
Suppose we are in an inertial frame. Consider a big circular disk of radius $R$ which rotates with a uniform angular velocity $\omega$ around its symmetry axis perpendicular to its plane. Suppose that $R\omega < c$.
There are observers on the disk who measure the length of the perimeter and radius of the disk by their metre-sticks. The ratio of the perimeter to the radius would obviously be $2\pi$, if both quantities were measured in the inertial system, since lengths were then measured between simultaneous events (spacetime points). This was equivalent with mapping the disk to a circle in the inertial frame, and performing length measurements on that circle.
This ratio is different if the measurement is performed by the observers staying on the disk. If they measure the perimeter, their sticks are effected by Lorentz-contraction, the contraction rate being $\sqrt{1-R^2\omega^2/c^2}$, so the observers find that the perimeter is $2\pi R/\sqrt{1-R^2\omega^2/c^2}$ (longer than $2\pi R$), while they find the radius to be the same $R$ as measured in the inertial frame. Hence on the disk, in the co-rotating frame the ratio of perimeter to radius is $2\pi /\sqrt{1-R^2\omega^2/c^2}>2\pi$. Thus, in an accelerating frame spatial geometry is no longer Eucledian, and spacetime geometry is no longer Minkowskian.
Consider the interval between two nearby spacetime points. In the inertial frame introduce Cartesian spatial coordinates $dx'$, $dy'$, $dz'$ és $dt'$, and cylindrical coordinates $dr'$, $d\varphi'$, $dz'$ és $dt'$. The interval is $$\begin{align} ds^2=c^2dt'^2-dx'^2-dy'^2-dz'^2=c^2dt'^2-dr'^2-r'^2d\varphi'^2-dz'^2\;. \end{align}$$ Let us switch to the frame comoving with the disk by the transformation $$\begin{align} t' & = t \\ r' &= r \\ \varphi' &= \varphi +\omega t \\ z' &= z \phantom{forgkr1} \end{align}$$ This ensures that constant unprimed spatial coordinates describe comoving points, albeit the physical meaning (relation to measurements) is not obvious. For the interval we get $$\begin{align} ds^2=\left(c^2-r^2\omega^2\right)dt^2-dr^2-r^2d\varphi^2-dz^2-2 r^2\omega d\varphi dt\;. \end{align}$$ Invariance of the interval was assumed like in special relativity.
Clearly for an arbitrary coordinate transform the interval is a quadratic form of coordinate differentials: $$\begin{align} ds^2=g_{ik}dx^idx^k\;. \end{align}$$ The quantity $g_{ik}$ is called the metric tensor. In the previous example with coordinates $x^0=ct$, $x^1=r$, $x^2=\varphi$ and $x^3=z$ we have for the nonzero components: $$\begin{align} g_{00} &= 1-r^2\omega^2/c^2 \\ g_{11} &= g_{33}=-1 \\ g_{22} &= -r^2 \\ g_{02} &= g_{20}=-r^2\omega/c\;.\phantom{forgmetrik1} \end{align}$$ From the mathematical point of view the metric tensor is a $4\times 4$ symmetric matrix. Signature (signs of the eigenvalues) plays a distinguished role. A physically meaningful metric must have three negative and one positive eigenvalues.

Curvilinear coordinates

Az általános relativitáselméletben görbevonalú koordinátákat kell használnunk, mivel egyrészt nem-euklideszi geometria esetében nem vezethetők be derékszögű koordináták, másrészt az elmélet egyik legfontosabb célkitűzése, hogy tetszőleges koordinátarendszerben is megfogalmazható legyen. A fenti példához hasonlóan induljunk ki a $$\begin{align} ds^2=\left(dx'^0\right)^2-\left(dx'^1\right)^2-\left(dx'^2\right)^2-\left(dx'^3\right)^2\;. \end{align}$$ Minkowski-metrikából, és térjünk át tetszőleges görbevonalú koordinátákra (gyorsuló koordinátarendszerre) a $$\begin{align} x'^i=x'^i(x^0,x^1,x^2,x^3) \end{align}$$ képletekkel, ahol a vesszős koordinátákat a vesszőtlenek (általában nemlineáris) függvényének tekintjük. A koordinátatranszformációt tehát négy darab négyváltozós függvény adja meg. A koordinátadifferenciálokra a többváltozós függvények differenciálási szabálya alapján azt kapjuk, hogy $$\begin{align} dx'^i=\frac{\partial x'^i}{\partial x^j}dx^j\;,\phantom{kon_vek} \end{align}$$ ahol a kétszer előforduló indexekre összegzés értendő. Ezt beírva az ívelemnégyzet képletébe, a $$\begin{align} ds^2=g_{ik}dx^idx^k \end{align}$$ kvadratikus alak adódik, ahol a $g_{ik}$ metrikus tenzort a $$\begin{align} g_{ik}=\frac{\partial x'^l}{\partial x^i}\frac{\partial x'^m}{\partial x^k}g_{lm}^{(0)}\phantom{f1} \end{align}$$ képlet határozza meg, ahol $g_{lm}^{(0)}={\rm diag}\left(1,-1,-1,-1\right)$ a Minkowski-metrikának megfelelő metrikus tenzor. Mivel a transzformáció általában nemlineáris, a $g_{ik}$ metrikus tenzor komponensei téridő-pontról téridő-pontra változnak, azaz függnek a koordinátáktól. A (\ref{f1}) képlet megfordítva azt jelenti, hogy gyorsuló koordinátarendszerből alkalmas koordinátatranszformációval a téridő minden pontjában a metrikus tenzor egyidejűleg a Minkowski-metrikára transzformálható. Ez a tulajdonság tömegek által keltett gravitációs terekben már nem érvényes, semmilyen koordinátatranszformációval nem hozható mindenütt egyidejűleg sík (Minkowski) alakra a metrika. Emiatt ilyenkor görbült téridőről beszélünk, hiszen a nem-Minkowski alak nem pusztán a választott koordinátarendszer, hanem a téridő tulajdonsága. Hogy általános esetben a metrikus tenzort nem lehet mindenütt Minkowski-alakra transzformálni, már abból is nyilvánvaló, hogy a szimmetrikus $4\times 4$-es metrikus tenzornak tíz független eleme van, melyek a téridő függvényei, de az általános koordinátatranszformációban csak négy függvény szerepel. \par\medskip A (\ref{f1}) képlet megfordításával a vesszős koordinátarendszer-beli metrikus tenzor kifejezése $$\begin{align} g'_{lm}=\frac{\partial x^i}{\partial x'^l}\frac{\partial x^k}{\partial x'^m}g_{ik}\;.\phantom{f2} \end{align}$$ Látható, hogy a metrikus tenzor indexei másképpen transzformálódnak, mint a koordinátadifferenciálok. Vizsgáljuk meg, hogyan transzformálódik egy $\Phi(\{x^{i}\})$ skalárfüggvény gradiense! A közvetett függvény deriválási szabálya szerint azt kapjuk, hogy $$\begin{align} \frac{\partial \Phi}{\partial x'^i}=\frac{\partial x^j}{\partial x'^i}\frac{\partial \Phi}{\partial x^j}\;,\phantom{kov_vek} \end{align}$$ A koordinátadifferenciálok homogén lineáris transzformációs szabálya szerint transzformálódó mennyiségeket a továbbiakban kontravariáns vektoroknak nevezzük, a skalár gradiensének (szintén homogén lineáris) transzformációs szabálya szerint transzformálódó mennyiségeket pedig kovariáns vektornak. A transzformációs szabályt az index pozíciójával jelezzük: a felső index kontravariáns, az alsó index kovariáns vektorkomponensként transzformálódó mennyiséget jelent. Látható, hogy a metrikus tenzor indexei egyenként kovariáns vektorként transzformálódnak. Általában tenzornak nevezünk majd olyan többindexes mennyiségeket, amelyek kontravariáns és/vagy kovariáns vektorkomponensek szorzataként transzformálódnak. A kétféle transzformációs szabály együtthatómátrixai éppen egymás inverzei, emiatt egy kovariáns és egy kontravariáns vektor szorzata az indexeket összeejtve (azaz egyenlővé téve és az egyenlő indexre összegezve) skalárt eredményez: $$\begin{align} A'^iB'_i=\frac{\partial x'^i}{\partial x^k}A^k\frac{\partial x^n}{\partial x'^i}B_n=A^kB_k\;.\phantom{gk1} \end{align}$$ Tenzorok esetén egy kovariáns és egy kontravariáns index összeejtése a tenzor rendjét kettővel csökkenti. Egy $A^i$ kontravariáns vektort a kovariáns $g_{ik}$ metrikus tenzorral megszorozva és indexét annak egyik indexével összeejtve kovaráns vektort kapunk, amit $A_i$-vel jelölünk, mivel ugyanannak a fizikai mennyiségnek a kovariáns változata: $$\begin{align} A_i=g_{ik}A^k\;.\phantom{gk2} \end{align}$$ Fordítva, egy kovariáns vektort $g_{ik}$ inverzével szorozva indexösszeejtéssel kontravariáns vektort kapunk. A metrikus tenzor inverzét $g^{ik}$-val jelöljük és kontravariáns metrikus tenzornak nevezzük: $$\begin{align} A^i&=g^{ik}A_k\;,\phantom{gk3a}\\ g^{ik}g_{kj}&=\delta^i_j\;.\phantom{gk3b} \end{align}$$ A kovariánsból kontravariáns mennyiség előállítását röviden az index felhúzásának, a fordított műveletet az index lehúzásának fogjuk hívni.

Distances and elapsed times, proper physical quantities

Általános görbevonalú koordinátarendszerben a koordináták csupán az események téridőbeli helyzetét határozzák meg, de különbségeik nem felelnek meg valódi távolságoknak ill. időtartamoknak. Ez önmagában nem meglepő, hiszen ez a helyzet pl. térbeli polárkoordináták használatakor is. Felmerül tehát a kérdés, hogy a metrika ismeretében hogyan határozható meg két közeli esemény valódi távolsága ill. a tér adott pontjában végbemenő két esemény között eltelt valódi időtartam. Általánosabban felvethető az a kérdés, hogy mi a kapcsolat a tényleges, mérhető fizikai mennyiségek és a leírásukra használt vektor vagy tenzorkomponensek között. \par\medskip A megoldás alapja ugyanaz, amit már a forgó korongon végzett méréseknél is hangsúlyoztam: a koordinátarendszer adott pontjában áttérünk egy olyan inerciarendszerre, ami a görbevonalú koordinátarendszer adott pontjával az adott pillanatban együtt mozog, és minden mérhető mennyiséget ebben az érintőtérben értelmezünk. Távolságok és időtartamok mérésekor nem egy, hanem két közeli pontról (eseményről) van szó, azonban a leírt konstrukcióban a másik pont sebessége az inerciarendszerhez képest másodrendben kicsi (a koordinátakülönségek négyzetével arányos).

Elapsed time between events which happened at the same spatial point

A két esemény a leírt konstrukcióval felvett inerciarendszerben is azonos helyen van, így a közöttük eltelt valódi $d\tau$ idővel az ívelemnégyzet $$\begin{align} ds^2=c^2d\tau^2 \end{align}$$ alakban fejezhető ki. A görbevonalú koordinátarendszerben a két esemény közötti ívelemnégyzet ugyanennyi, viszont a görbevonalú koordinátákkal fejezhető ki: $$\begin{align} ds^2=g_{00}\left(dx^0\right)^2\;, \end{align}$$ ugyanis a térbeli koordináták különbségei eltűnnek ($dx^\alpha =0$). A két kifejezés egyenlőségéből $$\begin{align} d\tau=\frac{\sqrt{g_{00}}}{c}dx^0 \end{align}$$ adódik.

Spatial distance between events

Áttérünk az inerciarendszerre, melyben az egyidejűség fogalma jól meghatározott, mivel az idő egyformán telik a különböző térbeli pontokban. Ez azt jelenti, hogy olyan konstans együtthatós, homogén lineáris transzformációt alkalmazunk, ami a kiszemelt téridőpontban Minkowski-alakra hozza a metrikát. Ezenkívül, hogy az inerciarendszer ne mozogjon a görbevonalú koordinátarendszerhez képest, megköveteljük, hogy az inerciarendszerbeli $dx'^\alpha$ térbeli koordinátadifferenciálok ne függjenek $dx^0$-tól. Ekkor ugyanis $dx^\alpha=0$-ból $dx'^\alpha=0$ következik (és viszont), tehát az egyik rendszerben rögzített térbeli pont a másikban is helyben marad. Ez annyit jelent matematikailag, hogy a koordinátadifferenciálok transzformációs képlete $$\begin{align} dx'^\alpha&=A^\alpha_\beta dx^\beta\phantom{transz1}\\ dx'^0&= A^0_j dx^j\;.\phantom{transz2} \end{align}$$ A görög betűk a térbeli (1,2,3), a latin betűk a téridőbeli (0,1,2,3) indexeken futnak végig. Az ívelemnégyzet $$\begin{align} ds^2=\left(dx'^0\right)^2-\left(dx'^\alpha\right)^2=A^0_j A^0_k dx^jdx^k-A^\alpha_\beta A^\alpha_\nu dx^\beta dx^\nu\;. \end{align}$$ Ez természetesen meg kell, hogy egyezzen a $g_{jk}dx^jdx^k$ kifejezéssel. A térszerű és időszerű indexek szétválasztásával ez azt jelenti, hogy $$\begin{align} g_{00}&=\left(A^0_0\right)^2\phantom{g00}\\ g_{0\alpha}&=A^0_0A^0_\alpha\phantom{g01}\\ g_{\beta\nu}&=A^0_\beta A^0_\nu - A^\alpha_\beta A^\alpha_\nu\;.\phantom{g11} \end{align}$$ Az első egyenletből $$\begin{align} A^0_0=\sqrt{g_{00}}\;,\phantom{a00} \end{align}$$ a másodikból pedig $$\begin{align} A^0_\alpha=\frac{g_{0\alpha}}{\sqrt{g_{00}}}\phantom{a01} \end{align}$$ adódik. Két közeli pont $d\ell$ távolságának mérésekor az inerciarendszerben egyidejű pontokat vizsgálunk, vagyis megköveteljük, hogy $dx'^0=0$ legyen, ezért egyrészt $$\begin{align} ds^2=-\left(d\ell\right)^2\phantom{tav1} \end{align}$$ írható, másrészt megkapjuk az egyidejűség feltételét a görbevonalú koordinátarendszerben: $$\begin{align} dx'^0= A^0_j dx^j=0\;. \end{align}$$ Ebbe a transzformáció mátrixát behelyettesítve kapjuk, hogy $$\begin{align} dx^0=-\frac{g_{0\alpha}}{g_{00}}dx^\alpha\;.\phantom{szink1} \end{align}$$ Két közeli esemény tehát akkor egyidejű, ha időkoordinátáik különbségére ez az egyenlet teljesül. Az egyidejűség feltételének megadását szokás szemléletesen az órák szinkronizálásának nevezni. Az eljárást folytatva további pontokra definiálható az események egyidejűsége, így egy görbe mentén is. Az viszont már általában nem igaz, hogy zárt görbe mentén az órák szinkronizálása elvégezhető, ugyanis a kezdőpontba visszatérve véges időkoordináta-különbség adódik. Más szavakkal, két véges távolságban levő pont egyidejűsége nem definiálható egyértelműen, mivel az órák szinkronizálásának eredménye általában függ attól, hogy a két pont között milyen pálya mentén végeztük el a szinkronizálást. Ez a helyzet például a forgó koordinátarendszer esetén: az origó középpontú kör mentén szinkronizálva az órákat nulla helyett $$\begin{align} \Delta x^0=-\oint \frac{g_{0\alpha}}{g_{00}}dx^\alpha=\frac{2\pi R^2\omega c}{c^2-R^2\omega^2} \end{align}$$ adódik. Ez a tulajdonság nem a téridő, hanem a választott koordinátarendszer tulajdonsága. Nyilvánvaló, hogy a négy transzformációs függvény (vagyis a koordinátarendszer) alkalmas megválasztásával általában a téridő minden pontjában nullává tehető a három $g_{0\alpha}$ mennyiség, sőt még az is elérhető, hogy ezzel egyidejűleg minden téridő-pontban $g_{00}=1$ is teljesüljön. Az ilyen koordinátarendszert, melyben az egyidejűség a teljes téridőben egyértelműen definiálható, szinkronizált vonatkoztatási rendszernek, az $x^0$ időkoordinátát, melynek különbsége az adott térbeli pontban eltelt valódi idővel egyenlő, világidőnek nevezzük. \footnote{Az előbbi állítást annyiban pontosítanunk kell, hogy szinkronizált vonatkoztatási rendszerben a világidő valamilyen véges értékénél a metrika szükségképpen szingulárissá válik, azon túl (pozitív vagy negatív időirányban) a koordinátarendszer nem alkalmazható. } \par\medskip Visszatérve a közeli pontok valódi távolságához, a (\ref{tav1}) és (\ref{szink1}) képletekből azt kapjuk, hogy $$\begin{align} \left(d\ell\right)^2&=-ds^2=-g_{00}\left(dx^0\right)^2-2g_{0\alpha}dx^0dx^\alpha-g_{\alpha\beta}dx^\alpha dx^\beta \\ &=\left(\frac{g_{0\alpha}g_{0\beta}}{g_{00}}-g_{\alpha\beta}\right)dx^\alpha dx^\beta\;. \end{align}$$ A $$\begin{align} \gamma_{\alpha\beta} =\frac{g_{0\alpha}g_{0\beta}}{g_{00}}-g_{\alpha\beta}\phantom{gamma} \end{align}$$ mennyiség tehát a térbeli metrikát határozza meg. Érdekesség, hogy ez éppen a $-g^{\alpha\beta}$ $3\times 3$-as mátrix (a kontravariáns metrikus tenzor térszerű részének ellentettje) inverze. \par\medskip A forgó koordinátarendszer (\ref{forgmetrik1}) téridő-metrikájának segítségével a forgó korong térbeli metrikájának nullától különböző komponenseire a $$\begin{align} \gamma_{11}&=1 \\ \gamma_{22}&=\frac{r^2}{1-\frac{r^2\omega^2}{c^2}} \\ \gamma_{33}&=1\phantom{forgmetrik2} \end{align}$$ értékeket kapjuk. Ennek megfelelően a sugárirányú valódi távolság a korong közepétől a pereméig $R$, míg a perem mentén mérve a valódi kerület $2\pi R/\sqrt{1-R^2\omega^2/c^2}$, a korábbi eredménnyel egyezően.

Proper physical quantities

Valamely lokális fizikai mennyiséget, amely lehet skalár, vektor, tenzor, az elméletben tetszőleges görbevonalú komponenseivel megadhatunk, az indexeket a metrikus tenzorral ill. inverzével le- és felhúzhatjuk. Természetes módon merül fel a kérdés, hogy mi felel meg a ténylegesen mérhető értékeknek. A válasz azt, hogy a (\ref{transz1}), (\ref{transz2}) képletekkel - mivel ez egyben a kontravariáns vektorkomponensek transzformációs szabálya is -, vagy ennek inverzével (kovariáns vektorok esetében), vagy ezek szorzatával (tenzorok esetén) inerciarendszerbe képezzük le kérdéses fizikai mennyiséget, és eredményül a ténylegesen mérhető értéket kapjuk. A transzformáció megadásához szükségünk van az eddig még nem meghatározott $A^\alpha_\beta$ mennyiségekre is. A megadott feltételek alapján ez nem egyértelmű, ami azzal kapcsolatos, hogy az inerciarendszer $x$, $y$, $z$ térszerű koordinátatengelyeit még tetszőleges forgatásnak lehet alávetni. Az (\ref{g11}), (\ref{gamma}) egyenletekből ugyanis $$\begin{align} A^\alpha_\beta A^\alpha_\nu=\gamma_{\beta\nu}\phantom{transz2a} \end{align}$$ adódik, aminek a megoldása $$\begin{align} A^\alpha_\beta =F^\alpha_\nu\sqrt{\lambda_\nu} O^\nu_\beta \;,\phantom{transz3} \end{align}$$ ahol $F^\alpha_\nu$ tetszőleges $3\times 3$-as ortogonális mátrix (forgásmátrix), $\lambda_\nu$ a $\gamma_{\alpha\beta}$ pozitív definit, valós szimmetrikus mátrix $\nu$-edik sajátértéke, $O^\nu_\beta$ pedig a hozzátartozó sajátvektor, melyek összessége szintén $3\times 3$-as ortogonális mátrixot alkot. \par\medskip Fejezzük ki pl. egy forgó korongon mozgó tömegpont sebességét koordinátáinak időderiváltjaival! Jelöljük a $t$ szerinti deriváltakat $\dot{r}$, $\dot{\varphi}$ és $\dot{z}$-tal! Először a négyessebességet írjuk fel, ami definíció szerint $u^i=dx^i/ds$, azaz $$\begin{align} u^0&=\frac{dx^0}{ds}=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{\dot{r}^2}{c^2}-\frac{r^2\left(\dot{\varphi}+\omega\right)^2}{c^2}-\frac{\dot{z}^2}{c^2}}} \\ u^1&=\frac{dx^1}{ds}=\frac{\dot{r}}{c\sqrt{1-\frac{\dot{r}^2}{c^2}-\frac{r^2\left(\dot{\varphi}+\omega\right)^2}{c^2}-\frac{\dot{z}^2}{c^2}}} \\ u^2&=\frac{dx^2}{ds}=\frac{\dot{\varphi}}{c \sqrt{1-\frac{\dot{r}^2}{c^2}-\frac{r^2\left(\dot{\varphi}+\omega\right)^2}{c^2}-\frac{\dot{z}^2}{c^2}}}\\ u^3&=\frac{dx^3}{ds}=\frac{\dot{z}}{c\sqrt{1-\frac{\dot{r}^2}{c^2}-\frac{r^2\left(\dot{\varphi}+\omega\right)^2}{c^2}-\frac{\dot{z}^2}{c^2}}} \end{align}$$ A (\ref{transz1}), (\ref{transz2}), (\ref{a00}), (\ref{a01}), (\ref{transz3}) képleteket alkalmazzuk. Mivel a (\ref{forgmetrik2}) térbeli metrika máris diagonális, az $O^\nu_\beta$ mátrix az egységmátrix, a $\lambda_\nu$ értékek pedig a diagonális elemek. Végül az $F^\alpha_\nu$ forgásmátrixot önkényesen egységmátrixnak választjuk. Ekkor az $A^\alpha_\beta$ transzformációs mátrix diagonális lesz. Mindezeket figyelembevéve a négyessebesség komponenseit $$\begin{align} u'^0&=\frac{dx'^0}{ds}=\frac{1-\frac{r^2\omega^2}{c^2}-\frac{r^2\omega\dot{\varphi}}{c^2}}{\sqrt{1-\frac{r^2\omega^2}{c^2}}\sqrt{1-\frac{\dot{r}^2}{c^2}-\frac{r^2\left(\dot{\varphi}+\omega\right)^2}{c^2}-\frac{\dot{z}^2}{c^2}}} \\ u'^1&=\frac{dx'^1}{ds}=\frac{\dot{r}}{c\sqrt{1-\frac{\dot{r}^2}{c^2}-\frac{r^2\left(\dot{\varphi}+\omega\right)^2}{c^2}-\frac{\dot{z}^2}{c^2}}} \\ u'^2&=\frac{dx'^2}{ds}=\frac{r\dot{\varphi}}{c\sqrt{1-\frac{r^2\omega^2}{c^2}}\sqrt{1-\frac{\dot{r}^2}{c^2}-\frac{r^2\left(\dot{\varphi}+\omega\right)^2}{c^2}-\frac{\dot{z}^2}{c^2}}} \\ u'^3&=\frac{dx'^3}{ds}=\frac{\dot{z}}{c\sqrt{1-\frac{\dot{r}^2}{c^2}-\frac{r^2\left(\dot{\varphi}+\omega\right)^2}{c^2}-\frac{\dot{z}^2}{c^2}}} \end{align}$$ alakban kapjuk. Ez az elmozdulásokat a tömegpont sajátidejében méri, amint az a négyessebesség esetében szokásos. A hármassebesség komponenseit viszont korongon eltelt valódi időben mérjük, mégpedig a tömegpont pályája mentén szinkronizált órák segítségével. Ez azt jelenti, hogy az eltelt valódi idő nagysága $dx^0$ időkoordináta-változáskor $$\begin{align} \sqrt{g_{00}}\left(dx^0+\frac{g_{0\alpha}}{g_{00}}dx^\alpha\right) \end{align}$$ lesz, mivel figyelembe kell vennünk, hogy a másik térbeli pontban a 0 időpont $-\frac{g_{0\alpha}}{g_{00}}dx^\alpha$-val egyidejű. De ez azt jelenti, hogy éppen $dx'^0$ (v.ö. (\ref{transz2})) szerint kell a koordinátákat deriválni. Így viszont a keresett hármassebesség-komponensek $$\begin{align} v^1&=c\frac{u'^1}{u'^0}=\frac{\dot{r}\sqrt{1-\frac{r^2\omega^2}{c^2}}}{1-\frac{r^2\omega^2}{c^2}-\frac{r^2\omega\dot{\varphi}}{c^2}} \\ v^2&=c\frac{u'^2}{u'^0}=\frac{r\dot{\varphi}}{1-\frac{r^2\omega^2}{c^2}-\frac{r^2\omega\dot{\varphi}}{c^2}}\\ v^3&=c\frac{u'^3}{u'^0}=\frac{\dot{z}\sqrt{1-\frac{r^2\omega^2}{c^2}}}{1-\frac{r^2\omega^2}{c^2}-\frac{r^2\omega\dot{\varphi}}{c^2}} \end{align}$$
tovább fel vissza
bene@arpad.elte.hu