De Schwarzschild-oplossing van de algemene relativiteitstheorie
Dit is de Schwarzschild-oplossing:
En de
metrische tensor ziet er dan zo uit:
De vergelijkingen die de
algemene relativiteitstheorie
beschrijven zien er als volgt uit (volledig uitgeschreven in componenten van de
metrische tensor, voor
de afleiding zie
deze pagina):
Om te beginnen ga ik alle haakjes wegwerken:
Het slechte nieuws is dat dit in totaal
(4 × 4
2 + 9 × 4
4) + (2 × 4
4 + 5 × 4
6) = 2368 + 20992 = 23360
termen zijn door alle sommeringen die plaats moeten vinden.
Gelukkig is er ook goed nieuws, want zoals vergelijking (2) laat zien is de
metrische tensor diagonaal.
Oftewel, alle componenten van de
metrische tensor die niet op de
hoofddiagonaal liggen zijn nul.
Ik stel daarom τ = α, ρ = λ en β = δ.
Vergelijking (4) komt er dan zo uit te zien:
Op deze manier heb ik het aantal dummy indices gehalveerd en nu ga ik wel alle termen uitschrijven.
Kijk en huiver:
Het aantal termen is teruggebracht van 23360 naar
(4 × 4
1 + 9 × 4
2) + (2 × 4
2 + 5 × 4
3) = 160 + 352 = 512 termen,
we zijn al bijna 98% van de termen kwijt!
Er hebben zich componenten van de
metrische tensor
gevormd met ongelijke indices en die gooi ik uit de lijst want die zijn nul:
En zo is het aantal resterende termen bijna gehalveerd en zijn er nog 236 termen over.
Merk op dat iedere diagonale oplossing voldoet aan vergelijking (7), niet alleen specifiek de
Schwarzschild-oplossing.
Een blik op de
metrische tensor vertelt mij:
Het is nu de hoogste tijd om eens wat
partiële afgeleiden te gaan bepalen, waarbij
ik in de vergelijkingen (1) en (2) aflees dat x
0 = t, x
1 = r, x
2 = φ en x
3 = θ:
Hiermee reduceert vergelijking (7) verder, en ik stel ook het rechterlid gelijk aan nul want de
Schwarzschild-oplossing geldt voor een lege ruimte:
Nog 70 termen over, het wordt steeds overzichtelijker.
Nu ga ik μ en ν laten varieren van 0 tot en met 3, maar omdat de
metrische tensor symmetrisch is levert dat
(gelukkig) ‘slechts’ 1 + 2 + 3 + 4 = 10 vergelijkingen op (en geen 4 × 4 = 16):
Er hebben zich weer componenten van de
metrische tensor
gevormd met ongelijke indices en die gooi ik wederom uit de lijst want die zijn nul.
Verder verwijder ik ook gelijk de
afgeleiden die nul opleveren.
Er blijft dan dit over:
Van de tien vergelijkingen zijn er vijf verdwenen (alle termen waren nul) en we hebben er dus nog vijf over.
De volgende stap is om termen samen te nemen en/of tegen elkaar weg te strepen:
Zoals de vergelijkingen (9) hebben laten zien zijn alle
afgeleiden naar x
0 = t gelijk aan nul
en dit geldt ook voor alle
afgeleiden naar
x
2 = φ.
De
eerste afgeleiden die niet nul zijn ga
ik nogmaals
differentiëren, maar alleen naar
x
1 = r en naar x
3 = θ:
Ik ga de
determinant bepalen van de
metrische tensor:
Hiermee kan ik de
contravariante componenten bepalen van de
metrische tensor:
En die worden dus:
Hieruit volgt (uiteraard):
Met de vergelijkingen (18) kan ik de vergelijkingen (13) verder reduceren, ik vermenigvuldig alle termen met twee
en ik deel componenten van de
metrische tensor
uit waar mogelijk:
Ik stel:
Hiermee worden alle ingrediënten die ik onderweg verzameld heb een stuk compacter:
Dan komt nu het uur van de waarheid, ik ga alle ingrediënten volgens de vergelijkingen (21) invullen in de
vergelijkingen (19):
Het komt perfect uit!
Uiteindelijk vallen alle termen in de linkerleden van de resterende vijf vergelijkingen precies tegen elkaar weg.
Kortom, de
Schwarzschild-oplossing is absoluut een exacte oplossing
van de vergelijkingen van de
algemene relativiteitstheorie.