tovább fel vissza

General relativity

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

Einstein-egyenletek

%Anyag és gravitációs tér egyesített hatása. Az Einstein-egyenletek %származtatása. Az Einstein-egyenletek tulajdonságai. Csak a metrikus tenzor %térszerű komponenseinek lép fel a második %deriváltja. Kényszerek. Kezdetiérték-probléma. Függetlenül megadható fizikai %mennyiségek. Variációs elv: $$\begin{align} \delta (S_g+S_m)=0 \end{align}$$ A metrikus tenzor komponensei szerint variálunk. $$\begin{align} \delta S_g\propto \delta \int {\mathcal R}\sqrt{-g}d\Omega &= \delta \int g^{ik}{\mathcal R}_{ik}\sqrt{-g}d\Omega \\& =\int \left({\mathcal R}_{ik}\sqrt{-g} \delta g^{ik}+ g^{ik}{\mathcal R}_{ik}\delta \sqrt{-g}+g^{ik}\sqrt{-g}\delta {\mathcal R}_{ik}\right)d\Omega \end{align}$$ $$\begin{align} \delta \sqrt{-g}=-\frac{1}{2}\sqrt{-g}\;g_{ik}\;\delta g^{ik} \end{align}$$ $$\begin{align} \delta \int R\sqrt{-g}d\Omega = \int \left({\mathcal R}_{ik}-\frac{1}{2}g_{ik}R\right)\delta g^{ik}d\Omega +\int g^{ik}\delta {\mathcal R}_{ik}\;\sqrt{-g}d\Omega \end{align}$$ Megmutatjuk, hogy a második tag eltűnik: $\delta \Gamma^k_{il}A_k dx^l$ vektor, mert azonos pontokban levő vektorok különbsége. Eszerint $\delta \Gamma^k_{il}$ tenzor. Lokálisan geodetikus rendszerben számolunk. Ekkor a metrikus tenzor első deriváltjai eltűnnek. $$\begin{align} g^{ik}\delta {\mathcal R}_{ik}=g^{ik}\left(\frac{\partial }{\partial x^l}\delta \Gamma^l_{ik} -\frac{\partial }{\partial x^k}\delta \Gamma^l_{il} \right)=\frac{\partial w^l}{\partial x^l} \end{align}$$ ahol $$\begin{align} w^l=g^{ik}\delta \Gamma^l_{ik}-g^{il}\delta \Gamma^k_{ik} \end{align}$$ Általános esetben tehát $$\begin{align} g^{ik}\delta {\mathcal R}_{ik}=\frac{1}{\sqrt{-g}}\frac{\partial\left(\sqrt{-g}\; w^l\right)}{\partial x^l} \end{align}$$ A Gauss-tételt alkalmazva bizonyítjuk az eredeti állítást. Tehát $$\begin{align} \delta S_g=-\frac{c^3}{16\pi k}\int \left({\mathcal R}_{ik}-\frac{1}{2}g_{ik}{\mathcal R}\right)\delta g^{ik}d\Omega \end{align}$$ Az anyag hatásintegráljának variációja (ld. az energia-impulzus-tenzor levezetését): $$\begin{align} \delta S_m=\frac{1}{2c}\int T_{ik}\delta g^{ik}\;\sqrt{-g}\;d\Omega \end{align}$$ Végül tehát a teljes variáció: $$\begin{align} -\frac{c^3}{16\pi k}\int \left({\mathcal R}_{ik}-\frac{1}{2}g_{ik}{\mathcal R}-\frac{8\pi k}{c^4} T_{ik}\right)\delta g^{ik}d\Omega \end{align}$$ amiből megkapjuk az Einstein-egyenleteket: $$\begin{align} {\mathcal R}_{ik}-\frac{1}{2}g_{ik}{\mathcal R}=\frac{8\pi k}{c^4} T_{ik} \end{align}$$ Másképpen: $$\begin{align} {\mathcal R}^k_{i}-\frac{1}{2}\delta^k_{i}{\mathcal R}=\frac{8\pi k}{c^4} T^k_{i}\phantom{ein_v} \end{align}$$ Az indexeket összeejtve: $$\begin{align} {\mathcal R}=-\frac{8\pi k}{c^4} T \end{align}$$ Ezért írhatjuk: $$\begin{align} {\mathcal R}_{ik}=\frac{8\pi k}{c^4} \left(T_{ik}-\frac{1}{2}g_{ik}T\right) \end{align}$$ Az Einstein-egyenletek nemlineáris, másodrendű parciális differenciálegyenletek. Csak a metrikus tenzor térszerű komponenseinek fordul elő bennük a második időderiváltja, és az is csak az $\dots^\alpha_\beta$ típusú térszerű indexeket tartalmazó egyenletben. A másik négy egyenlet csak első időderiváltakat tartalmaz, ezek tehát kényszerekként értelmezhetők. Az anyag és gravitációs tér kezdeti értékei emiatt nem adhatók meg függetlenül. Összesen nyolc független kezdeti feltétel adható meg, ezek közül négy az anyagot jellemzi (pl. a négyessebesség komponensei), négy pedig a szabad gravitációs teret (két független polarizáció, amplitudók és időderiváltjuk). Az anyag mozgásegyenlete következik az Einstein-egyenletekből. Az egyértelmű megoldáshoz az anyag állapotegyenletére is szükség van, ezt az Einstein-egyenletek nem tartalmazzák. \subsubsection{Konzisztencia az energia-impulzus tenzor kovariáns négyesdivergenciájának eltűnésével} Az Einstein-egyenletek levezetéséhez az energia-impulzus tenzor olyan alakját használtuk, amelynek alapvető tulajdonsága volt kovariáns négyesdivergenciájának eltűnése. Megmutatjuk, hogy ez összhangban van az Einstein-egyenletekkel. Az (\ref{ein_v}) egyenlet mindkét oldalának kovariáns négyesdivergenciáját véve $$\begin{align} {\mathcal R}^k_{i;k}-\frac{1}{2}{\mathcal R}_{,i}=\frac{8\pi k}{c^4} T^k_{i;k}\phantom{ein_v2} \end{align}$$ adódik. A baloldal a Bianchi-azonosságból következő (\ref{bian2}) összefüggés miatt eltűnik.
tovább fel vissza
bene@arpad.elte.hu