Уравнение гравитационного поля эйнштейна. Уравнение эйнштейна. Примеры решения задач

Мы можем теперь перейти к выводу уравнений гравитационного поля. Эти уравнения получаются из принципа наименьшего действия , где - действия соответственно для гравитационного поля и материи 2). Варьированию подвергается теперь гравитационное поле, т. е. величины

Вычислим вариацию . Имеем:

Подставляя сюда, согласно (86,4),

Для вычисления заметим, что хотя величины и не составляют тензора, но их вариации образуют тензор. Действительно, есть изменение вектора при параллельном переносе (см. (85,5)) из некоторой точки Р в бесконечно близкую к ней Р. Поэтому есть разность двух векторов, получающихся соответственно при двух параллельных переносах (с неварьированными и варьированными Ты) из точки Р в одну и ту же точку Р. Разность же двух векторов в одной и той же точке является вектором, а потому есть тензор.

Воспользуемся локально-геодезической системой координат. Тогда в данной точке все . С помощью выражения (92,7) для имеем (помня, что первые производные от равны теперь нулю):

Поскольку есть вектор, то мы можем написать полученное соотношение в произвольной системе координат в виде

(заменяя на и пользуясь (86,9)). Следовательно, второй интеграл справа в (95,1) равен

и по теореме Гаусса может быть преобразован в интеграл от по гиперповерхности, охватывающей весь -объем.

Поскольку на пределах интегрирования вариация поля равна нулю, то этот член исчезает. Таким образом, вариация равна

Заметим, что если бы мы исходили из выражения

для действия поля, то мы получили бы, как легко убедиться,

Сравнивая это с (95,2), находим следующее соотношение:

Для вариации действия материи можно написать согласно (94,5)

где - тензор энергии-импульса материи (включая электромагнитное поле). Гравитационное взаимодействие играет роль только для тел с достаточно большой массой (благодаря малости гравитационной постоянной). Поэтому при исследовании гравитационного поля нам приходится обычно иметь дело с макроскопическими телами. Соответственно этому для надо обычно писать выражение (94,9).

Таким образом, из принципа наименьшего действия находим:

откуда ввиду произвольности

или в смешанных компонентах

Это и есть искомые уравнения гравитационного поля - основные уравнения общей теории относительности. Их называют уравнениями Эйнштейна.

Упрощая (95,6) по индексам i и k, находим:

Поэтому уравнения поля можно написать также в виде

Уравнения Эйнштейна нелинейны. Поэтому для гравитационных полей несправедлив принцип суперпозиции. Этот принцип справедлив лишь приближенно для слабых полей, допускающих линеаризацию уравнений Эйнштейна (к ним относятся, в частности, гравитационные поля в классическом, ньютоновском пределе см. § 99).

В пустом пространстве и уравнения гравитационного поля сводятся к уравнениям

Напомним, что это отнюдь не значит, что пустое пространство время является плоским, - для этого требовалось бы выполнение более сильных условий

Тензор энергии-импульса электромагнитного поля обладает тем свойством, что (см. (33,2)). Ввиду (95,7) отсюда следует, что при наличии одного только электромагнитного поля без каких-либо масс скалярная кривизна пространства-времена равна нулю.

Как мы знаем, дивергенция тензора энергии-импульса равна нулю:

Поэтому должна быть равна нулю также и дивергенция лево части уравнения (95,6). Это действительно так в силу тождества (92,10).

Таким образом, уравнения (95,10) по существу содержатся в уравнениях поля (95,6). С другой стороны, уравнения (95,10), выражая собой законы сохранения энергии и импульса, содержат в себе уравнения движения той физической системы, к которой относится рассматриваемый тензор энергии-импульса (т. е. уравнения движения материальных частиц или вторую пару уравнений Максвелла).

Таким образом, уравнения гравитационного поля содержат в себе также и уравнения для самой материи, которая создает это поле. Поэтому распределение и движение материи, создающей гравитационное поле, отнюдь не могут быть заданы произвольным образом. Напротив, они должны быть определены (посредством решения уравнений поля при заданных начальных условиях) одновременно с самим создаваемым этой материей полем.

Обратим внимание на принципиальное отличие этой ситуации от того, что мы имели в случае электромагнитного поля. Уравнения этого поля (уравнения Максвелла) содержат в себе только уравнение сохранения полного заряда (уравнение непрерывности), но не уравнения движения самих зарядов. Поэтому распределение и движение зарядов могут буть заданы произвольным образом, лишь бы полный заряд был постоянным. Заданием этого распределения зарядов определяется тогда посредством уравнений Максвелла создаваемое ими электромагнитное поле.

Надо, однако, уточнить, что для полного определения распределения и движения материи в случае гравитационного поля к уравнениям Эйнштейна надо присоединить еще (не содержащееся, конечно, в них) уравнение состояния вещества, т. е. уравнение, связывающее между собой давление и плотность. Это уравнение должно быть задано наряду с уравнениями поля.

Четыре координаты могут быть подвергнуты произвольному преобразованию. Посредством этого преобразования можно произвольным образом выбрать четыре из десяти компонент тензора . Поэтому независимыми неизвестными функциями являются только шесть из величин Далее, четыре компоненты входящей в тензор энергии-импульса материи 4-скорости связаны друг с другом соотношением , так что независимыми являются только три из них. Таким образом, мы имеем, как и следовало, десять уравнений поля (95,5) для десяти неизвестных величин: шести из компонент , трех из компонент и плотности материи (или ее давления ). Для гравитационного поля в пустоте остается всего шесть неизвестных величин (компонент ) и соответственно понижается число независимых уравнений поля: десять уравнений связаны четырьмя тождествами (92,10).

Отметим некоторые особенности структуры уравнений Эйнштейна. Они представляют собой систему дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка. Однако в уравнения входят вторые производные по времени не от всех 10 компонент . Действительно, из (92,1) видно, что вторые производные по времени содержатся только в компонентах тензора кривизны, куда они входят в виде члена (точкой обозначаем дифференцирование по ); вторые же производные от компонент метрического тензора вообще отсутствуют. Ясно поэтому, что и получающийся путем упрощения из тензора кривизны тензор , а с ним и уравнения (95,5) тоже содержат вторые производные по времени лишь от шести пространственных компонент

Легко также видеть, что эти производные входят лишь в -уравнения (95,6), т. е. в уравнения

(95,11)

Уравнения же и , т. е. уравнения

содержат производные по времени лишь первого порядка. В этом можно убедиться, проверив, что при образовании путем свертывания величин компоненты вида действительно выпадают. Еще проще увидеть это из тождества (92,10) записав его в виде

Старшие производные по времени, входящие в правую часть этого равенства, - вторые производные (фигурирующие в самих величинах ). Поскольку (95,13) - тождество, то и его левая сторона должна, следовательно, содержать производные по времени не выше второго порядка. Но одно дифференцирование. по времени фигурирует уже в нем явным образом; поэтому сами выражения могут содержать производные по времени не выше первого порядка.

Более того, левые стороны уравнений (95,12) не содержат также и первых производных (а лишь производные ). Действительно, из всех эти производные содержат только , а эти величины в свою очередь входят только в компоненты тензора кривизны вида , которые, как мы уже знаем, выпадают при образовании левых сторон уравнений (95,12).

Если интересоваться решением уравнений Эйнштейна при заданных начальных (по времени) условиях, то возникает вопрос о том, для скольких величин могут быть произвольно заданы начальные пространственные распределения.

Начальные условия для уравнений второго порядка должны включать начальные распределения как самих дифференцируемых величин, так и их первых производных по времени. Однако поскольку в данном случае уравнения содержат вторые производные лишь от шести , то в начальных условиях не могут быть произвольно заданы все . Так, можно задать (наряду со скоростью и плотностью материи) начальные значения функций и , после чего из 4 уравнений (95,12) определятся допустимые начальные значения ; в уравнениях же (95,11) останутся еще произвольными начальные значения

В самом первом посте своего ЖЖ я обещал, что буду постить всякий бред и прочую бяку с формулами. По части бреда считаю план выполненным на 100%, а вот теперь я приступаю (уже приступил в теме про гравитационно-волновые детекторы) ко второй части плана - буду постить бяку с формулами, чтобы плевались домохозяки и даже ЖЭТФ.

Вспоминаю, что меня просили пояснить кое-что про уравнения Эйнштейна. В частности что и откуда. В рамках комментариев я, конечно, пояснил по минимуму, но вряд ли это внесло какую-то реальную ясность. Поэтому я решил написать более развернутое сообщение на этот счет. Я буду писать немного про тензоры для того, чтобы было понятно о чем я буду говорить дальше.

Но сначала некоторые соглашения. В моем посте используется правило суммирования Эйнштейна (это суммирование по повторяющимся индексам) - я его сейчас поясню, а потом оно подразумевается само собой.
Итак, пусть имеется запись

Согласно правилу Эйнштейна, при известной размерности пространства (либо при неизвестной надо явно указать до какого элемента идет суммирование), знак суммы опускается, и подразумевается суммирование по повторяющимся индексам (индекс "i " у a и у b . И записывается это так

Поэтому везде, где отныне будут встречаться повторяющиеся индексы, подразумевается суммирование (причем не только одинарное, но может быть и двойное).

Пусть мы имеем две системы координат

Контравариантным тензором 2-го ранга

т.е. идет дифференцирование старых координат по новым. Здесь подразумевается суммирование по повторяющимся индексам.
Ковариантным тензором 2-го ранга называется величина, которая преобразуется при преобразовании координат по правилам

Частными видами тензоров являются всем хорошо известные векторы (тензор 1го ранга) и скаляры (тензор 0-го ранга).

В инерциальной системе отсчета в декартовой системе координат, как известно, интервал ds определяется как

В неинерциальной СО квадрат интервала - некоторая квадратичная форма вида

тут снова суммирование по повторяющимся индексам.
(это можно проверить на частных примерах - попробовать преобразовать ИСО к вращающеся например).
Очевидно , что
а) по размерности получается, что величина стоящая перед произведением дифференциалов координат есть скаляр.
б) дифференциалы координат можно переставить, а это значит, что величина g не зависит от порядка индексов.
Таким образом g ik - симметричный 4-тензор. Он называется метрическим тензором.

В обычной инерциальной системе координат, как нетрудно понять из записи для интервала, матрица метрического тензора имеет вид

Совокупность главных значений (1, -1, -1 , -1) называется сигнатурой матрицы (иногда пишут просто (+,-,-,-)). Определитель в данном случае отрицательный. Это опять же очевидно.
Все, что сказано про неинерциальные СО, совершенно 100% переносится на произвольную криволинейную систему координат в отрыве от физики вообще.

К сожалению, я не могу написать много про тензор кривизны

R iklm потому что для этого нужно написать целый трактат - как он выводится, откуда берется и прочее. Придется писать про символы Кристоффеля, это очень долго. Может быть в другой раз, если кому-то будет интересно.

Тензор Риччи получается сверткой тензора кривизны

он симметричен.

Я думаю, все знают принцип наименьшего действия Гамильтона. В данном случае он записывается как

здесь лямбда может рассматриваться как "плотность" функции Лагранжа. Из него потом получается и тензор энергии-импульса

здесь - тензор энергии-импульса .

Уравнения Эйнштейна получаются из принципа наименьшего действия. Вывод их не так уж сложен, если хорошо знать все, что я сказал выше. Но, естественно, в данном случае я его писать не буду. Уравнения Эйнштейна имеют вид

Уравнения эти нелинейны, и, как следствие, для их решений несправедлив принцип суперпозиции.

Вывод закона Ньютона из уравнений Эйнштейна . При переходе к нерелятивистскому случаю надо потребовать малости всех скоростей и, как следствие, малости гравитационного поля. Тогда от всех тензоров останутся только нулевые компоненты

В этом случае уравнения Эйнштейна дают

(здесь m это масса единицы объема, т.е. плотность в отличие от дальнейшего изложения)
Это всем известное уравнение Пуассона для гравитационного потенциала из которого для потенциала поля одной частицы m и, соответственно, силы действующей в этом поле на другую частицу M можно получить выражения

Это известный закон тяготения Ньютона.

Гравитационные волны . Речь пойдет о слабых гравитационных волнах, которые только и можно детектировать при помощи интерферометров . Думаю, каждый знает, что для поиска слабых возмущений надо представить искомую функцию в виде стационарной части и возмущения. В данном случае тензор кривизны можно представить в виде невозмущенного тензора галилеевой метрики и тензора h описывающего слабое возмущение метрики

При определенных дополнительных условиях тензор Риччи примет вид

(на всякий случай я пояснил, что такое оператор Д"Аламбера, хотя думаю это всем хорошо известно).
Немного все это помутузив, можно получить

Обычное волновое уравнение. Это значит, что гравитационные волны распространяются со скоростью света.

Вот и сказочке конец. Я думаю это более развернутый ответ, что я дал тогда в комментариях, но я не уверен, что стало намного понятнее. Но хотел бы надеяться. До новых встреч в эфирах, господа!

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Уравнение Эйнштейна – та самая знаменитая формула релятивистской механики – устанавливает связь между массой покоящегося тела и его полной энергией:

Здесь – полная энергия тела (так называемая энергия покоя), – его , а – света в вакууме, которая приблизительно равна м/с.

Уравнение Эйнштейна

Формула Эйнштейна утверждает, что масса и энергия эквивалентны друг другу. Это значит, что любое тело обладает – энергией покоя – пропорциональной его массе. В свое время природа затратила энергию, чтобы собрать это тело из элементарных частиц материи, и энергия покоя служит мерой этой работы.

Действительно, при изменении внутренней энергии тела его масса изменяется пропорционально изменению энергии:

Например, при нагреве тела его внутренняя энергия возрастает, и масса тела увеличивается. Правда, эти изменения настолько малы, что в повседневной жизни мы их не замечаем: при нагреве 1 кг воды на она станет тяжелее на 4,7 10 -12 кг.

Кроме того, масса может преобразовываться в энергию, и наоборот. Преобразование массы в энергию происходит при ядерной реакции: масса ядер и частиц, образовавшихся в результате реакции, меньше, чем масса столкнувшихся ядер и частиц, а получившийся дефект массы превращается в энергию. А при фотонном рождении несколько фотонов (энергия) превращаются в электрон, вполне материальный и имеющий массу покоя.

Уравнение Эйнштейна для движущегося тела

Для движущегося тела уравнений Эйнштейна выглядит:

В этой формуле v – скорость, с которой движется тело.

Из последней формулы можно сделать несколько важных выводов:

1) Каждое тело, обладает определенную энергию, которая больше нуля. Поэтому title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="34" width="102" style="vertical-align: -11px;"> , а значит, v

2) Некоторые частицы – например, фотоны – не имеют массы, а вот энергия у них есть. При подстановке в последнюю формулу мы получили бы не соответствующее действительности , если бы не одно «но»: эти частицы движутся со скоростью света с=3 10 8 м/с. Знаменатель формулы Эйнштейна при этом обращается в нуль: она не подходит для расчёта энергии безмассовых частиц.

Формула Эйнштейна показала, что в веществе содержится колоссальный запас энергии – и тем самым сыграла неоценимую роль в развитии ядерной энергетики, а также подарила военной промышленности атомную бомбу.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

-мезон имеет массу покоя кг и движется со скоростью 0,8с. Какова его ?

Решение

Найдем скорость -мезона в единицах СИ:

Рассчитаем энергию покоя -мезона по формуле Эйнштейна:

Полная энергия -мезона:

Полная энергия -мезона состоит из энергии покоя и кинетической энергии. Поэтому кинетическая энергия:

Ответ

Дж

Исходя из гипотезы Планка о квантах, Эйнштейн в 1905 г. предложил квантовую теорию фотоэффекта. В отличие от Планка, который считал, что свет излучается квантами, Эйнштейн предположил, что свет не только излучается, но и распространяется, и поглощается отдельными неделимыми порциями - квантами Кванты представляют собой частицы с нулевой массой покоя, которые движутся в вакууме со скоростью м/с. Эти частицы получили название фотонов. Энергия квантов Е = hv.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально числу поглощенных фотонов, т.е. пропорционально интенсивности света.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода (А) из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии

Уравнение (3)называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно имеет простой физический смысл: энергия светового кванта расходуется на вырывание электрона из вещества и на сообщение ему кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить законы фотоэффекта. Из него следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни А, ни ν от интенсивности света не зависят (1-й закон фотоэффекта). Выражая кинетическую энергию электрона через работу задерживающего поля можно записать уравнение Эйнштейна в виде

Из уравнения (4) следует, что

Это соотношение совпадает с экспериментальной закономерностью, выраженной формулой (2).

Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А = const), то при некоторой достаточно малой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (2-й закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (3) получим

Это и есть "красная граница"фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишьот работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Выражение (3), используя (17) и (6), можно записать в виде

Так же естественно объясняется пропорциональность тока насыщения I Н мощности падающего света. С возрастанием общей мощности светового потока W возрастает число отдельных порций энергии hv, а следовательно, и число п вырываемых в единицу времени электронов. Так как I Н пропорционально п, то тем самым объясняется и пропорциональность тока насыщения I Н мощности света W.

Если интенсивность очень большая (лазерные пучки), то возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором фотоэлектрон одновременно получает энергию не одного, а нескольких фотонов. Многофотонный фотоэффект описывается уравнением

где N - число вступивших в процесс фотонов. Соответственно "красная граница" многофотонного фотоэффекта

Следует отметить, что лишь малое число фотонов передает свою энергию электронам и участвует в фотоэффекте. Энергия большинства фотонов затрачивается на нагревание вещества, поглощающего свет. Применение фотоэффекта

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, которые получили широкое применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы - приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой баллон, из которого выкачан воздух, внутренняя поверхность (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем и является фотокатодом. В качестве анода обычно используются кольцо (рис. 10) или сетка, помещаемые в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, ЭДС которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения.

Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света - сурьмяно-цезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например, экспонометров и люксметров для измерения освещенности. Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов баллон заполняют инертным газом Аr или Nе при давлении 1,3 ÷ 13 Па). Фототок в таком газонаполненном элементе усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами. Самые разные объективные оптические измерения немыслимы в наше время без применения фотоэлементов. Современная фотометрия, спектроскопия и спектрофотометрия, спектральный анализ вещества проводятся с применением фотоэлементов. Широко используются фотоэлементы в технике: контроль, управление, автоматизация производственных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в звуковом кино, в разнообразных системах связи от передачи изображения и телевидения до оптической связи на лазерах и космической техники представляют собой далеко не полный перечень областей применения фотоэлементов для решения разнообразных технических вопросов в современной промышленности и связи.