De Schwarzschild-oplossing van de algemene relativiteitstheorie

Laat zien dat de Schwarzschild-oplossing een oplossing is van de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie.
Vrouw en Zon
Schwarzschild
Schwarzschild

Dit is de Schwarzschild-oplossing:

Vergelijking

En de metrische tensor ziet er dan zo uit:
Vergelijking
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):
Vergelijking
Om te beginnen ga ik alle haakjes wegwerken:
Vergelijking
Het slechte nieuws is dat dit in totaal 4 × 42 + 11 × 44 + 5 × 46 = 64 + 2816 + 20480 = 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:
Vergelijking
Op deze manier heb ik het aantal dummy indices gehalveerd en nu ga ik wel alle termen uitschrijven. Kijk en huiver:
Vergelijking
Het aantal termen is teruggebracht van 23360 naar 4 × 41 + 11 × 42 + 5 × 43 = 16 + 176 + 320 = 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:
Vergelijking
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:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Het is nu de hoogste tijd om eens wat partiële afgeleiden te gaan bepalen, waarbij ik in de vergelijkingen (1) en (2) aflees dat x0 = t, x1 = r, x2 = φ en x3 = θ:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Hiermee reduceert vergelijking (7) verder, en ik stel ook het rechterlid gelijk aan nul want de Schwarzschild-oplossing geldt voor een lege ruimte:
Vergelijking
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):
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
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:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
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:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Zoals de vergelijkingen (9) hebben laten zien zijn alle afgeleiden naar x0 = t gelijk aan nul en dit geldt ook voor alle afgeleiden naar x2 = φ. De eerste afgeleiden die niet nul zijn ga ik nogmaals differentiëren, maar alleen naar x1 = r en naar x3 = θ:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Ik ga de determinant bepalen van de metrische tensor:
Vergelijking
Hiermee kan ik de contravariante componenten bepalen van de metrische tensor:
Vergelijking
En die worden dus:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Hieruit volgt (uiteraard):
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
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:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Ik stel:
Vergelijking
Hiermee worden alle ingrediënten die ik onderweg verzameld heb een stuk compacter:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Dan komt nu het uur van de waarheid, ik ga alle ingrediënten volgens de vergelijkingen (21) invullen in de vergelijkingen (19):
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
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.