De Schwarzschild-metriek in isotrope coördinaten

Schrijf de Schwarzschild-metriek om van bolcoördinaten naar isotrope coördinaten.
Water
Schwarzschild
Schwarzschild

De Schwarzschild-metriek is de metrische tensor die hoort bij de Schwarzschild-oplossing:

Vergelijking

Het interval ziet er dan als volgt uit:
Vergelijking
Pythagoras
Pythagoras

Een ruimtelijk afstandje ziet er in Cartesische coördinaten op deze manier uit, dat is simpelweg de Stelling van Pythagoras:

Vergelijking

En in bolcoördinaten ziet een ruimtelijk afstandje er zo uit:
Vergelijking
Het liefst willen we het interval dan ook in de volgende vorm schrijven, waarbij het soort coördinaten op een bepaalde manier verstopt zit in dσ:
Vergelijking
Wanneer ik de bovenstaande vergelijkingen overzie dan kom ik al snel tot de conclusie dat Ω gelijk aan één moet zijn en ben ik weer terug bij af (terwijl ik nog maar net uit de startblokken ben). Kortom, ik heb een extra vrijheidsgraad nodig. Daarom introduceer ik een nieuwe radiële coördinaat ρ die een functie is van de oude radiële coördinaat r: ρ (r). Wanneer ik σ uitschrijf in de oude radiële coördinaat r (vergelijking (4)) dan geldt Ω = 1, maar wanneer ik σ uitschrijf in de nieuwe radiële coördinaat ρ dan ontstaat er speelruimte:
Vergelijking
Door de vergelijkingen (2) en (6) met elkaar te vergelijkingen kom ik tot de conclusie dat altijd moet gelden:
Vergelijking
Vergelijking
Indien de vergelijkingen (7) op enig moment niet gelden dan ligt uiteraard het interval in duigen. Uit vergelijking (7b) volgt:
Vergelijking
Hiermee wordt vergelijking (7a):
Vergelijking
Ik ga beide zijden integreren, de oplossing van de integraal in het linkerlid zoek ik op in de tabel met integralen en de oplossing van de integraal in het rechterlid zoek ik ook op in de tabel met integralen:
Vergelijking
Wat ga ik doen met de integratieconstante C? Het is wel fijn indien voor grote waarden van r en ρ, daar waar de ruimte vlak is, beide coördinaten naadloos in elkaar overgaan:
Vergelijking
Hieruit volgt voor C:
Vergelijking
Aldus wordt vergelijking (10):
Vergelijking
Om dit op te lossen (want ik wil r weten als functie van ρ) doe ik eerst even het volgende tussenstapje:
Vergelijking
Oftewel:
Vergelijking
Vervolgens tel ik de vergelijkingen (13) en (15) bij elkaar op:
Vergelijking
Hiermee wordt vergelijking (8):
Vergelijking
En met behulp van vergelijking (16) ga ik g00 omschrijven:
Vergelijking
De vergelijkingen (17) en (18) substitueer ik tenslotte in vergelijking (5) om tot het eindantwoord te komen:
Vergelijking
Voor de overzichtelijkheid kan ik eventueel nog stellen:
Vergelijking
Zo krijgt vergelijking (19) deze compacte vorm:
Vergelijking
Ik stel:
Vergelijking
Dat brengt ons bij dit overzicht:
De Schwarzschild-oplossing
In bolcoördinaten Vergelijking
Toon afleiding
In Eddington-Finkelstein-coördinaten Vergelijking
Toon afleiding
In isotrope coördinaten Vergelijking