stringtranslate.com

Метрика Рейсснера – Нордстрема

В физике и астрономии метрика Рейсснера -Нордстрема представляет собой статическое решение уравнений поля Эйнштейна-Максвелла , которое соответствует гравитационному полю заряженного, невращающегося сферически-симметричного тела массы M. Аналогичное решение для заряженного вращающегося тела дается метрикой Керра – Ньюмана .

Метрика была открыта между 1916 и 1921 годами Гансом Рейсснером , [1] Германом Вейлем , [2] Гуннаром Нордстремом [3] и Джорджем Баркером Джеффри [4] независимо друг от друга. [5]

Метрика

В сферических координатах метрика Рейсснера-Нордстрема (т.е. элемент линии ) — это где — скорость света , — собственное время, — координата времени (измеренная стационарными часами на бесконечности), — радиальная координата, — сферическая координата. углы, и – радиус Шварцшильда тела, определяемый формулой и – характерный масштаб длины, определяемый формулой Здесь – электрическая постоянная .

Полная масса центрального тела и его неприводимая масса связаны соотношением [6] [7]

Разница между и обусловлена ​​эквивалентностью массы и энергии , в результате чего энергия электрического поля также вносит вклад в общую массу.

В пределе, когда заряд (или, что то же самое, масштаб длины ) стремится к нулю, восстанавливается метрика Шварцшильда . Тогда классическая ньютоновская теория гравитации может быть восстановлена ​​в пределе, когда это отношение стремится к нулю. В пределе, когда оба и стремятся к нулю, метрика становится метрикой Минковского для специальной теории относительности .

На практике это соотношение зачастую крайне мало. Например, радиус Шварцшильда Земли составляет примерно 9  мм (3/8  дюйма ), тогда как радиус орбиты спутника на геостационарной орбите примерно в четыре миллиарда раз больше — 42 164  км (26 200  миль ). Даже на поверхности Земли поправки к ньютоновской гравитации составляют лишь одну миллиардную часть. Это соотношение становится большим только вблизи черных дыр и других сверхплотных объектов, таких как нейтронные звезды .

Заряженные черные дыры

Хотя заряженные черные дыры с r Q  ≪ r s похожи на черную дыру Шварцшильда , они имеют два горизонта: горизонт событий и внутренний горизонт Коши . [8] Как и в случае с метрикой Шварцшильда, горизонты событий пространства-времени расположены там, где метрическая составляющая расходится; то есть где

Это уравнение имеет два решения:

Эти концентрические горизонты событий вырождаются за 2 r Q  = r s , что соответствует экстремальной черной дыре . Черные дыры с 2 r Q  > r s не могут существовать в природе, поскольку если заряд больше массы, то не может быть физического горизонта событий (слагаемое под квадратным корнем становится отрицательным). [9] Объекты с зарядом, превышающим их массу, могут существовать в природе, но они не могут коллапсировать в черную дыру, а если бы и могли, то продемонстрировали бы голую сингулярность . [10] Теории с суперсимметрией обычно гарантируют, что такие «суперэкстремальные» черные дыры не могут существовать.

Электромагнитный потенциал _

Если в теорию включены магнитные монополи, то обобщение, включающее магнитный заряд P , получается путем замены Q 2 на Q 2 + P 2 в метрике и включения члена P  cos  θ   в электромагнитный потенциал. [ нужны разъяснения ]

Гравитационное замедление времени

Гравитационное замедление времени вблизи центрального тела определяется выражением

Символы Кристоффеля

Символы Кристоффеля

Зная символы Кристоффеля, можно вычислить геодезические пробной частицы. [11] [12]

Тетрадная форма

Вместо работы в голономном базисе можно выполнять эффективные вычисления с тетрадой . [13] Позвольте быть набором одноформ с внутренним индексом Минковского , таким, что . Метрику Рейсснера можно описать тетрадой

,
,

где . Параллельная транспортировка тетрады захватывается соединением one-forms . Они имеют только 24 независимых компонента по сравнению с 40 компонентами . Связи могут быть решены путем проверки уравнения Картана , где левая часть — это внешняя производная тетрады, а правая часть — произведение клина .

Тензор Римана можно построить как совокупность двух форм с помощью второго уравнения Картана, которое снова использует внешнюю производную и клиновое произведение. Этот подход значительно быстрее, чем традиционные вычисления с помощью ; обратите внимание, что существует только четыре ненулевых компонента по сравнению с девятью ненулевыми компонентами .

Уравнения движения

[14]

Из-за сферической симметрии метрики систему координат всегда можно выровнять таким образом, чтобы движение пробной частицы было ограничено плоскостью, поэтому для краткости и без ограничения общности мы используем θ вместо φ . В безразмерных натуральных единицах G  =  M  =  c  =  K  = 1 движение электрически заряженной частицы с зарядом q определяется выражением

Все полные производные относятся к собственному времени .

Константы движения определяются решениями уравнения в частных производных [15]

Разделимое уравнение

[16]

Подстановка и в дает радиальное уравнение

Умножив под знаком интеграла на, получим орбитальное уравнение

Полное замедление времени между пробной частицей и наблюдателем на бесконечности равно

Первые производные и контравариантные компоненты локальной 3-скорости связаны соотношением

Удельная орбитальная энергия

удельный относительный угловой момент

Альтернативная формулировка метрики

Метрику можно выразить в форме Керра – Шилда следующим образом:

Обратите внимание, что kединичный вектор . Здесь M — постоянная масса объекта, Q — постоянный заряд объекта, а ηтензор Минковского .

Квантовые гравитационные поправки к метрике

В некоторых подходах к квантовой гравитации классическая метрика Рейсснера – Нордстрема получает квантовые поправки. Примером этого может служить подход эффективной теории поля, впервые предложенный Барвинским и Вилковиским. [17] [18] [19] [20] Во втором порядке по кривизне классическое действие Эйнштейна-Гильберта дополняется локальными и нелокальными членами:

( отменяется с помощью и отменяется с помощью .)

где – энергетическая шкала. Точные значения коэффициентов неизвестны, так как они зависят от характера ультрафиолетовой теории квантовой гравитации. С другой стороны, коэффициенты поддаются вычислению. [21] Оператор имеет интегральное представление

Новые дополнительные члены в действии подразумевают модификацию классического решения. Квантовая скорректированная метрика Рейсснера – Нордстрема до порядка была найдена Кампосом Дельгадо: [22]

где

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Рейсснер, Х. (1916). «Über die Eigengravitation des elektrischen Feldes nach der Einsteinschen Theorie». Аннален дер Физик (на немецком языке). 50 (9): 106–120. Бибкод : 1916АнП...355..106Р. дои : 10.1002/andp.19163550905.
  2. ^ Вейль, Х. (1917). «Теория гравитации». Аннален дер Физик (на немецком языке). 54 (18): 117–145. Бибкод : 1917АнП...359..117Вт. дои : 10.1002/andp.19173591804.
  3. ^ Нордстрем, Г. (1918). «Об энергии гравитационного поля в теории Эйнштейна». Верхандл. Конинкл. Нед. Акад. Wetenschap., Afdel. Натюрк., Амстердам . 26 : 1201–1208. Бибкод : 1918KNAB...20.1238N.
  4. ^ Джеффри, Великобритания (1921). «Поле электрона по теории гравитации Эйнштейна». Учеб. Р. Сок. Лонд. А. _ 99 (697): 123–134. Бибкод : 1921RSPSA..99..123J. дои : 10.1098/rspa.1921.0028 .
  5. ^ Большое мышление
  6. ^ Тибо Дамур : Черные дыры: энергетика и термодинамика, S. 11 и далее.
  7. ^ Ашгар Квадир: Отталкивание Рейсснера Нордстрема
  8. ^ Чандрасекхар, С. (1998). Математическая теория черных дыр (переиздание). Издательство Оксфордского университета . п. 205. ИСБН 0-19850370-9. Архивировано из оригинала 29 апреля 2013 года . Проверено 13 мая 2013 г. И, наконец, тот факт, что решение Рейсснера-Нордстрема имеет два горизонта: внешний горизонт событий и внутренний «горизонт Коши», обеспечивает удобный мост к изучению решения Керра в последующих главах.
  9. ^ Эндрю Гамильтон: Геометрия Рейсснера Нордстрема (Каса Колорадо)
  10. ^ Картер, Брэндон . Глобальная структура семейства гравитационных полей Керра. Архивировано 22 июня 2020 г. в Wayback Machine , Physical Review , стр. 174.
  11. ^ Леонард Сасскинд : Теоретический минимум: геодезика и гравитация, ( Лекция по общей теории относительности 4 , временная метка: 34 минуты 18 секунд)
  12. ^ Ева Хакманн, Хунсяо Сюй: Движение заряженных частиц в пространстве-времени Керра – Ньюмана
  13. ^ Уолд, Общая теория относительности
  14. ^ Нордебо, Джонатан. «Метрика Рейсснера-Нордстрема» (PDF) . дива-портал . Проверено 8 апреля 2021 г.
  15. ^ Смит, Б. Р. младший (2009). «Уравнения в частных производных первого порядка в классической динамике». Являюсь. Дж. Физ . 77 (12): 1147–1153. Бибкод : 2009AmJPh..77.1147S. дои : 10.1119/1.3223358.
  16. ^ Миснер, CW; и другие. (1973). Гравитация . WH Freeman Co., стр. 656–658. ISBN 0-7167-0344-0.
  17. ^ Барвинский, Вилковиский, А.О., Г.А. (1983). «Обобщенная техника Швингера-ДеВитта и уникальное эффективное действие в квантовой гравитации». Физ. Летт. Б. _ 131 (4–6): 313–318. Бибкод : 1983PhLB..131..313B. дои : 10.1016/0370-2693(83)90506-3.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  18. ^ Барвинский, Вилковиский, А.О., Г.А. (1985). «Обобщенный метод Швингера-ДеВитта в калибровочных теориях и квантовой гравитации». Физ. Представитель . 119 (1): 1–74. Бибкод : 1985PhR...119....1B. дои : 10.1016/0370-1573(85)90148-6.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  19. ^ Барвинский, Вилковиский, А.О., Г.А. (1987). «За пределами техники Швингера-Дьюитта: преобразование петель в деревья и входные токи». Нукл. Физ. Б. _ 282 : 163–188. Бибкод : 1987NuPhB.282..163B. дои : 10.1016/0550-3213(87)90681-X.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  20. ^ Барвинский, Вилковиский, А.О., Г.А. (1990). «Ковариантная теория возмущений. 2: Второй порядок по кривизне. Общие алгоритмы». Нукл. Физ. Б. _ 333 : 471–511. дои : 10.1016/0550-3213(90)90047-H.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  21. ^ Донохью, Джон Ф. (2014). «Нелокальные квантовые эффекты в космологии: квантовая память, нелокальные уравнения FLRW и избежание сингулярностей». Физ. Преподобный Д. 89 (10): 10. arXiv : 1402.3252 . Бибкод : 2014PhRvD..89j4062D. doi : 10.1103/PhysRevD.89.104062. S2CID  119110865.
  22. ^ Кампос Дельгадо, Рубен (2022). «Квантовые гравитационные поправки к энтропии черной дыры Райснера-Нордстрема». Евро. Физ. Джей Си . 82 (3): 272. arXiv : 2201.08293 . Бибкод : 2022EPJC...82..272C. дои : 10.1140/epjc/s10052-022-10232-0 . S2CID  247824137.

Рекомендации

Внешние ссылки