De Ricci-tensor van de Schwarzschild-metriek
Bereken alle componenten van de
Ricci-tensor
voor de Schwarzschild-metriek.
De Schwarzschild-metriek is de
metrische tensor
die hoort bij de
Schwarzschild-oplossing:
Het interval ziet er dan als volgt uit:
In al zijn verschijningsvormen is dit de
Ricci-tensor:
Ik werk verder met de laatste vorm en om te beginnen ga ik alle haakjes wegwerken:
Dit ziet er weliswaar nog redelijk compact uit, maar merk op dat de dummy indices een sommering vereisen en
dat daarmee het aantal termen explosief toeneemt.
Er zijn vier dimensies, dan bestaan de eerste vier termen (twee dummy indices) stuk voor stuk
uit 4
2 = 16 termen en de overige negen termen (vier dummy indices) bestaan uit 4
4 = 256 termen.
In totaal bestaat iedere component van de
Ricci-tensor,
indien ik die volledig uitschrijf in componenten van de
metrische tensor,
uit 4 × 16 + 9 × 256 = 2368 termen!
Gelukkig is er ook goed nieuws, want zoals vergelijking (1) 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 en ρ = λ.
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 2368 naar
4 × 4
1 + 9 × 4
2 = 160 termen,
we zijn al ruim 93% 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 gereduceerd tot 112.
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:
Nog 36 termen over, het wordt steeds overzichtelijker.
Nu ga ik β en δ 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 componenten van de
Ricci-tensor
zijn er dus vijf gelijk aan nul, en daarmee ook hun symmetrische tegenhangers.
Daarom kunnen we nu al zeggen dat de
Ricci-tensor
minstens tien nulcomponenten heeft.
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):
De vergelijkingen (13) vermenigvuldig ik met vier (zodat ik van al die kwarten en halven af ben):
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):
En zo komen we bij het, weliswaar niet spectaculaire, maar wel gezochte, resultaat dat alle componenten van de
Ricci-tensor
nul zijn (want de
Schwarzschild-oplossing
geldt voor een lege ruimte):