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2008年7月 5日 (土)

球対称時空解(シュヴァルツシルト解)の導出(2)

 前回は,捩率がゼロのLevi-Civita接続の接続係数Γをクリストッフェル記号(Christoffelの記号)として表現したところで終わりました。

今回はまず,これらの接続係数によって,リーマンの曲率テンソル(Riemannian curvature)を定義します。

 

クリストッフェル記号から1つの(1,3)型の混合テンソル:Rρσμν≡∂Γρσμ/∂xν-∂Γρσν/∂xμ+ΓλσμΓρλν-ΓλσνΓρλμを作ります。

 

これを.リーマンの曲率テンソルと呼びます。

 

この曲率テンソルは,Rλμνρ≡gλσσμνρなる共変表現では,対称テンソル,および反対称テンソルの性質:λμνρ=Rνρλμ,およびRλμνρ=-Rμλνρ=-Rλμρν=Rμλρνを有します。

 

また,λμνρ+Rλρμν+Rλνρμ0 なる巡回対称性を持っています。

 

さらに共変微分と関連した性質として,ビアンキ(Bianki)の恒等式と呼ばれる恒等式:Rαβμν;λ+Rαβνλ;μ+Rαβλμ;ν=0 を満足します。

時空多様体上の任意の点Pを起点とする微小な四辺形PQRSの頂点P,Q,R,Sの座標をそれぞれxμ,xμ+dxμ,xμ+dxμ+Δxμ,xμ+Δxμとします。

 

点Pから四辺形PQRSの辺に沿って,P→Q→R,およびP→S→Rの異なる2つの道筋で移動するとき,任意の微分可能なベクトル場Aμ(x)のAμ(P)からの変化分を,それぞれΔAμ(PQR),およびΔAμ(PSR)と書いて,それらの差を計算します。

  

これは,ΔAμ(PQR)-ΔAμ(PSR)=(∂Γρσμ/∂xν-∂Γρσν/∂xμ+ΓλσμΓρλν-ΓλσνΓρλμ)ρdxμΔxν=RρσμνρdxμΔxνとなります。 

例えば,Aμ(Q)=Aμ(P)+Γρμν(P)Aρ(P)dxνなので,ΔAμ(PQR)=Γρμλ(P)Aρ(P)dxλΓρμν(Q)Aρ(Q)ΔxνΓρμλ(P)Aρ(P)dxλ{Γρμν(P)+(∂Γρμν/∂xλ)dxλ}{Aρ(P)+Γσρλ(P)Aσ(P)dxλ}Δxνです。

そこで,曲率テンソルRρσμνというのは,"閉曲線=微小四辺形"の囲む面積がゼロの極限での,上記のAμの経路による差の比率を{ΔAμ(PQR)-ΔAμ(PSR)}/(dxμΔxν)=Rρσμνρによって表現する際の係数と解釈されます。 

 

※(注):ここでは,"重力場の方程式を解く"という本題の説明を急ぐため,曲率の意味などの説明を最小限に留めました。

 

しかし,ここで述べた接続や曲率等の2次元や3次元での初等幾何学における直感的な概念との関連や,多様体の上の微分幾何学でのアファイン接続(アフィン接続)との関連の話などは後に独立なブログ記事として詳述する予定です。※

そして,曲率テンソルを縮約して得られる2階共変テンソルRμν≡Rρμνρ=-RρμρνΓρμν/∂xρ-∂Γρμρ/∂xν+ΓλμνΓρλρ-ΓλμρΓρλνをリッチテンソル(Ricci tensor)と呼びます。

 

これの右辺の第1,2項は,∂Γρμρ/∂xν=(1/2)∂ν(gλρμλρ)=∂μνln{(-g)1/2}(g=det(gμν))と表わせるので,νμ=Rμνが成立します。すなわち,μνは対称テンソルです

 

また,μνをさらに縮約したR=gμνμνをスカラー曲率と呼びます。

次に,重力場μνの下での粒子の運動方程式を求めます。

 

粒子に働く力が重力だけの場合には,重力に従って自由落下する系として局所ローレンツ系(局所慣性系)を取ることができます。

 

この系では,どんな自由粒子も系と共に自由落下するわけですから,この系を基準にすると,無重力の慣性運動です。

粒子の時空座標をxμとして,対応する局所ローレンツ系(局所慣性系)での同じ位置の座標をμとすると,λを任意パラメータとして粒子の軌道はxμ=xμ(λ),あるいはXμ=Xμ(λ)で表現されます。

 

そうした軌道を解として与える運動方程式は,局所慣性系では無重力故,d2μ/dλ2=0 と書けます。

 

この方程式に,粒子の質量パラメータmが入ってないことは,"自由重力運動は(慣性)質量には無関係である"というガリレイ以来の等価原理を示しています。

さて,Xμμの関数であること,つまりXμ=fμ(x0,x1,x2,x3)なる形式で表わされることを考えると,dXμ/dλ=(∂Xμ/∂xν)(dxν/dλ)となります。

 

それ故,d2μ/dλ2=0 は(∂Xμ/∂xν)(d2ν/dλ2)+(∂2μ/∂xσ∂xν)(dxν/dλ)(dxσ/dλ)=0 に帰着します。

 

さらに両辺に(∂ρ/∂Xμ)を掛けてμで縮約すると,結局d2ρ/dλ2+(∂ρ/∂Xμ)(∂2μ/∂xσ∂xν)(dxν/dλ)(dxσ/dλ)=0 なる方程式が得られます。

ところが,前に記述したように,座標変換に際して接続係数Γは等式Γ'δμν=(∂ρ/∂x'μ)(∂σ/∂x'ν)(∂'δ/∂xεερσ+(∂'δ/∂xρ)(∂2ρ/∂x'μ∂x'ν)を満たします。

 

この式で,xをXに置き換えると,局所ローレンツ系では無重力故Γ=0 ですから,Γ'δμν=(∂'δ/∂Xρ)(∂2ρ/∂x'μ∂x'ν)となります

 

さらに,x',Γ'をそれぞれx,Γに書き直せば,Γδμν=(∂δ/∂Xρ)(∂2ρ/∂xμ∂xν)となって,局所ローレンツ系の座標を用いた接続係数の表現を得ます。

そこで,(∂ρ/∂Xμ)(∂2μ/∂xσ∂xν)=Γρσνなる式を用いれば,上記のxμ=xμ(λ)に対する方程式がd2ρ/dλ2+Γρσν(dxν/dλ)(dxσ/dλ)=0 となることがわかります。

 

以上の変形の途中では,d2μ/dλ2=0 の左辺が反変ベクトルであるという性質が常に保持されていますから,この方程式は確かに相対性原理から要求されるテンソル方程式の形をしています。

 

直感的な見方では,局所系Xμ=Xμ(λ)は粒子に固定されて共に自由落下する座標系であるため,粒子は無重力と感じて慣性の法則d2μ/dλ2=0 を満たいますが,一般の加速系xμ=xμ(λ)から見ると,d2ρ/dλ2+Γρσν(dxν/dλ)(dxσ/dλ)=0 の左辺第2項に見られるような見かけの重力(=慣性力)が出現したと解釈されます。

 

仮に"接続係数=クリストッフェル記号":Γがテンソルであったなら,ある座標系で恒等的にΓ≡0 であるという無重力の性質は,一般座標変換でどのような座標系から見ても保持されるわけです。

 

そうであれば,何らかの加速系に移ってもゼロと異なる重力が出現することは有り得ないわけですが,実は"Γがテンソルでないおかげで"ゼロでない重力が出現したと見ることができます。

 

余談ですが,かつて15年以上も前に,ニフティのパソコン通信のフォーラムで,"永久重力(R≠0)も非永久重力(R=0 の慣性力)も共に一般相対性理論の対象であり,特別に区別する必要はない"という内容の私を含む数人の主張と次の主張が対立したことがありました。

 

"一般相対性理論というのは曲率Rがゼロでない,いわゆる永久重力場についてのみ論じるべきものである。

 

曲率Rがゼロであって局所的ではなく大域的にも重力を消せるような非永久重力場,つまり見かけの重力場などは座標系をうまく選べば,重力が消せるのだから,別に一般相対性理論の対象ではなく特殊相対性理論の対象であり,明確に区別されるべきだ。

 

例えばリンドラー時空などは,実は時空としての構造は特殊相対論の時空と同じなのでミンコフスキー時空と呼ぶべきである。"

 

というものです。結局は平行線をたどったものでした。

 

もっとも,リンドラー時空をミンコフスキー時空と呼ぶべきであるという主張については,言葉の定義の問題なので意見は割れましたが。。

 

相対論関連では,このテーマは"双子のパラドックス"と並んで,何度も現われたトピックスでした。

 

その頃,私が主張したかったのは,

 

"曲率Rがゼロか否かというのは時空を平坦と見なせるのが,大域的であるかそれとも局所的であるかということ(あるいは潮汐力の有無)と関わっているだけで,理論に付随した1つの重要な幾何学的性質であることは間違いないが,一般相対論にとっては何ら本質的なことではない。

  

むしろ,歴史的に見ても平坦な時空から加速系に移ったときに現われる"見掛けの重力=慣性力"を見掛けではなく,"永久重力=真の重力"と同一視して区別しないことこそが本質的で,これは等価原理の発想そのものである。

 

逆に,一般相対論の思想のエッセンスである。"

 

という内容のことでした。

  

議論すればするほど,双方の認識に大した差はないことがわかって,私自身の理解も深まってゆきました。

 

すれ違いの原因は,何を本質的と考えるのか?という水掛け論だったのかもしれません。

ちょっと脱線しましたが本題に戻ります。

 

粒子の軌道:xμ=xμ(λ)の接ベクトルはuμ=dxμ/dλですが,一般にはuμをP(xμ)からQ(xμ+dxμ)まで平行移動しても,それはQ点での接ベクトルと一致しません。

 

しかし,特に移動に伴なって接ベクトルが一致するような道筋を測地線といいます。

μの共変微分による平行移動はDAμ(∂Aμ/∂xν+Γμσνσ)dxν=dAμ-δAμ,δAμ=-Γμσνσdxνと表現できますが,この式でAμをuμ≡dxμ/dλに置き換えれば,δuμ=δ(dxμ/dλ)=-Γμσν(dxσ/dλ)(dxν/dλ)dλとなります。

測地線の定義によれば,測地線に沿った平行移動ではδuμがduμ=d(dxμ/dλ)=(d2μ/dλ2)dλと一致して,Duμ=duμ-δuμ=D(dxμ/dλ)=0 となります。

 

すなわち,d2μ/dλ2+Γμσν(dxσ/dλ)(dxν/dλ)=0 なる方程式の解が測地線を与えることになります。

  

これは時空の2点間の距離が極値となる道筋,つまりδ∫PQds=0 となるP→Qの道筋を与えるものです。

 

そして,この方程式は先に与えた粒子の運動方程式と完全に一致していますから,通常,重力場の中での粒子の自由運動の軌跡を測地線と呼びます。

ところで,固有時間τをc2dτ=ds2=gμνdxμdxν=ημνdXμdXνで定義します。

 

軌道対象の粒子が光子のように光速cで運動する質量ゼロの粒子でないなら,その運動に伴なう座標の変動dμヌル(null:ds2=c2dτ2=0)ではないので,軌道xμ=xμ(λ)のパラメータλをτに取ってxμ=xμ(τ)と表わすことができます。

この場合には,接ベクトルuμ≡dxμ/dλは4元速度に一致しuμ=dxμ/dτとなります。そして,測地線の方程式もd2μ/dτ2+Γμσν(dxσ/dτ)(dxν/dτ)=0 となります。

 

しかし,光のように質量がゼロの粒子では,dμヌルベクトルでdτ=0 ですからτは定数でτをパラメータとすることはできません。

 

そこで,光の軌跡,測地線の方程式はλをτ以外の任意パラメータのまま残して,d2μ/dλ2+Γμσν(dxσ/dλ)(dxν/dλ)=0 とし,拘束条件としてヌル条件μν(dxσ/dλ)(dxν/dλ)=0 を追加したものになります。

運動が非相対論的で,かつ弱い重力場の場合には,gμν≡ημν+hμνで|hμν|<<1とすると,|dxk/dτ|~|dxk/dt|/c~|vk/c|<<1 (vk≡dxk/dt;k=1,2,3)で,|dx0/dτ|~1なので,測地線の方程式:d2μ/dτ2+Γμσν(dxσ/dτ)(dxν/dτ)=0 は近似的に空間軌道を示す方程式:(1/c2)(d2/dt2)+Γk00=0 になります。

そして,Γの定義から,弱い重力場では,Γk00=(1/2)g(2∂0ν0-∂ν00)~(1/2)η(2∂0ν0-∂ν00)~(1/2)∂k00 なる近似が可能です。

 

それ故,結局粒子の従う方程式としてd2/dt2=-(c2/2)∂k00なる非相対論近似の式が得られます。

 

そこで,h00=2ΦN/c2と置けば,これはΦNを非相対論での万有引力ポテンシャルとしたニュートンの運動方程式d2/dt2=-∇ΦNに一致します。

そしてニュートンの重力場の方程式はρを質量密度として,∇2ΦN=4πGρと表わされます。

 

弱い重力場の近似では,g00=1+h00 ~1+2ΦN/c2なので,ニュートンの重力場の方程式は,∇200=8πGρ/c2と同等であることがわかりました。

さて,エネルギー運動量テンソルをTμνとすると,これは時空を構成する物質を理想流体として時空の各点での物質の4元速度をuμ=dxμ/dτ,密度をρ,圧力をPとすれば特殊相対論ではTμν=(P/c2+ρ)uμν-Pημνと表わされます。

 

そして,その保存則は∂Tμν/∂xν=0 と表現されます。

 

これを自然に一般相対論に拡張すれば,Tμν=(P/c2+ρ)uμν-Pgμνとなり,保存則も微分を共変微分で置き換えることで,Tμν=Tμν=0 と書けます。

そして,P=0 のときには,T00=T00=ρc2ですから,ニュートンの重力場の方程式:∇2ΦN=4πGρは,∇200=(8πG/c4)T00の弱い重力場の近似式に相当すると考えられます。

 

これの拡張として,相対性原理を満たす重力場の方程式としてGμν=κTμνなる形の方程式を想定します。

 

ただしTμν=(P/c2+ρ)uμν-Pgμνです。

 

μνから得られる2階共変テンソルGμνの最も一般的な形として,Gμν≡αRμν+βgμνR+γgμνなる形式を考えます。

このとき,保存則Tμν=Tμν=0 から,Gμνの満たすべき条件としてGμν=Gμν=0 が得られます。

 

一方,ビアンキの恒等式Rρλμν;τ+Rρλτμ;ν+Rρλντ;μ=0 から,νをρに変えて縮約するとRλμ;τ+Rρλτμ;ρ-Rλτ;μ=0 ですが,さらにgλμを掛けて縮約するとR-Rρτ;ρ-Rμτ;μ=0 が得られます。

最後の式はR2Rμτ;μ=0 であり,結局,{Rμτ-(1/2)δμτR}=0 ,あるいは{Rμτ-(1/2)gμτR}=0 と書けます。

それ故,Gμν≡Rμν-(1/2)gμνRと置けば,Gμν=0 が満たされることになります。

 

そこで,Gμνをこのように定義すれば,Gμν=κTμνから共変な重力場の方程式として,Rμν-(1/2)gμνR=κTμνが得られます。

さらに上式の両辺にgμνを掛けて縮約すると,R-2R=κT,ただしT≡gμνμνですから,R=-κTを得ます。それ故,重力場の方程式はRμν=κ{Tμν-(1/2)gμνT}とも書けます。

ところで,Tμν(P/c2+ρ)uμνPgμνにおいて,ρc2>>P,(/c)2<<1の場合には,上に求めた相対論での重力場の方程式は近似的に,R00=κT00/2=κρc2/2となります。

 

そして,gμν=ημν+hμν,|hμν|<<1と書ける場合にはμνΓρμν/∂xρ-∂Γρμρ/∂xν+ΓλμνΓρλρ-ΓλμρΓρλνより,R00Γρ00/∂xρ-∂Γρ/∂x0+Γλ00Γρλρ-ΓλΓρλ0です。

 

時間変動がほとんどないとすれば,意味を持つのはΓk00のxkによる微分だけですから,結局,R00 ~ ∂kΓk00です。

 

さらに,既に前記事で述べたように,Γk00=(1/2)g(2∂0ν0-∂ν00)~(1/2)η(2∂0ν0-∂ν00)~-(1/2)ηkll00なので,∂kΓk00 ~ -(1/2)ηklkl00=(1/2)∇200=(1/2)∇200となります。

 

結局,弱重力近似ではR00~(1/2)∇200となることがわかります。

したがって00=κT00/2=κρc2/2 は,近似的に∇200=κρc2となりますが,これと先に別の考察から求めたニュートンの重力場の方程式に同等な方程式:∇200=8πGρ/c2とを比較して等置すると,定数κが8πG/c4に一致すべきことがわかります。

 

以上から重力場の方程式:μν-(1/2)gμνR=κTμν,あるいはRμν=κ{Tμν-(1/2)gμνT}において,係数κの値がκ=8πG/c4と明確に定められました。

なお,Gμν=Rμν-(1/2)gμνRの右辺に-Λgμνなる項を加えてもgμν=0 故,保存則Gμν=0 は保持されます。

 

そこで,最も一般的な重力場の方程式は,Rμν-(1/2)gμνR-Λgμν=κTμν,κ=8πG/c4となるはずです。

 

μν-(1/2)gμνR-Λgμν=κTμνの左辺の-Λgμν,またはこれを右辺に移項した式Rμν-(1/2)gμνR=κTμν+ΛgμνのΛgμνを宇宙項と呼びます。

 

これはΛ>0 なら距離に比例した斥力を与えます。

 

通常は,Λ=0 とした宇宙項のないもの:Rμν-(1/2)gμνR=κTμν,κ=8πG/c4を重力場の方程式,またはアインシュタインの方程式と呼びます。

 

そして,本題の球対称時空解は,この宇宙項がないと仮定した方程式の解の1つです。

今日はここまでにします。

   

参考文献:佐藤文隆,原 哲也 著「宇宙物理学」(朝倉書店)

 

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コメント

僕の場合、平坦時空であっても計量テンソルを使って式を書く方が楽なので、特殊相対論で間に合う場合でも一般相対論と区別付きませんね。

投稿: hirota | 2008年7月11日 (金) 17時35分

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