De Ricci-scalar van de Schwarzschild-metriek

Bereken de Ricci-scalar voor de Schwarzschild-metriek.
Octopus
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
Ricci-Curbastro
Ricci-Curbastro

In al zijn verschijningsvormen is dit de Ricci-scalar:

Vergelijking

Ik werk verder met de laatste vorm en om te beginnen ga ik alle haakjes wegwerken:
Vergelijking
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 twee termen (vier dummy indices) stuk voor stuk uit 44 = 256 termen en de overige vijf termen (zes dummy indices) bestaan uit 46 = 4096 termen. In totaal bestaat de Ricci-scalar, indien ik die volledig uitschrijf in componenten van de metrische tensor, uit 2 × 256 + 5 × 4096 = 20992 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, 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 20992 naar 2 × 42 + 5 × 43 = 352 termen, we zijn al ruim 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 gereduceerd tot 124. 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:
Vergelijking
Nog 34 termen over, het wordt steeds overzichtelijker. De volgende stap is om termen samen te nemen en/of tegen elkaar weg te strepen:
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
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 (18) invullen in de vergelijking (11):
Vergelijking
En zo komen we bij het, weliswaar niet spectaculaire, maar wel gezochte, resultaat dat de Ricci-scalar gelijk aan nul is (want de Schwarzschild-oplossing geldt voor een lege ruimte).