Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Теория поля.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
4.07 Mб
Скачать

§ 105. Гравитационное поле вдали от тел

Рассмотрим стационарное гравитационное поле на больших расстояниях г от создающего его тела и определим первые чле­ны его разложения по степеням 1/г.

Вдали от тела поле слабое. Это значит, что метрика про­странства-времени здесь почти галилеева, т. е. можно выбрать такую систему отсчета, в которой компоненты метрического тен­зора почти равны своим галилеевым значениям:

g»»«=l, gg> = 0, Л = -««»■ (Ю5.1)

Соответственно этому представим gik в виде

gik = gfk) + hik, (105,2)

где Ык — малые поправки, определяющие гравитационное поле.

Оперируя с тензором hik, условимся в дальнейшем подни­мать и опускать его индексы с помощью «невозмущенной» ме­трики: hk gmklhu и т. п. При этом необходимо отличать А'* от поправок в контравариантных компонентах метрического тен­зора gik. Последние определяются решением уравнений

guglk = (g?Uhu)gtk = 6kr,

так, с точностью до величин второго порядка малости находим: gik=gikv»-hik + h\tik. (105,3)

С той же точностью определитель метрического тензора

g = gW(l + h + ±h2hint), (105,4)

где h е= h\.

Сразу же подчеркнем, что условие малости к отнюдь не фиксирует однозначного выбора системы отсчета. Если это уело­вие выполнено в какой-либо одной системе, то оно будет выпол­нено и после любого преобразования х'1 = х1 + \1, где £'— малые величины. Согласно (94,3) тензор ft,* переходит при этом в

^ = ^-|^-ff. (105,5)

где li = gfklk (ввиду постоянства gfl ковариантные производ­ные в (94,3) сводятся в данном случае к обычным производ­ным)1).

В первом приближении, с точностью до членов порядка 1/г, малые добавки к галилеевым значениям даются соответствую­щими членами разложения центрально-симметричной метрики Шварцшильда. В соответствии с отмеченной неопределенностью в выборе (галиеевой на бесконечности) системы отсчета, кон­кретный вид hik зависит при этом от cnocq6a определения ра­диальной координаты г. Так, если шварцшильдова метрика пред­ставлена в виде (100,14), первые члены ее разложения при боль­ших г даются выражением (100,18). Перейдя в нем от сфериче­ских пространственных координат к декартовым (для чего надо заменить dr = nadjra, где п—единичный вектор в направлении г), получим следующие значения:

С = --у-, /£р = --7-«а"й, ЛЙ=0, (105,6)

где rg 2km2 2).

Среди членов второго порядка, пропорциональных 1/г2, име­ются члены двоякого порисхождения. Часть членов возникает в результате нелинейности уравнений Эйнштейна из членов пер­вого порядка. Поскольку последние зависят только от массы (но не от каких-либо других характеристик) тела, то только от нее же зависят и эти члены второго порядка. Ясно поэтому, что и эти члены можно получить путем разложения шварцшильдо­вой метрики. В тех же координатах найдем:

& 2г *

А$ = 0, ЛаР = -(-7-)\я|». (105,7)

Остальные члены второго порядка возникают как соответ­ствующие решения линеаризованных уравнений поля. Имея в виду также и дальнейшие применения, произведем линеариза­цию уравнений, выписывая сначала формулы в более общем виде, чем понадобится здесь, — не учитывая сразу стационар­ности поля.

При малых hik величины Г£/, выражающиеся через производ­ные от hik, тоже малы. Пренебрегая степенями выше первой, мы можем оставить в тензоре кривизны (92,1) только члены в первой скобке:

п 1 / d2him . д2пы d2hkm д2пц \ (\г\со\

*Шт 2\дхкдх1 ^ дх1дхт dxW дхкдхт)' U ' '

Для тензора Риччи имеем с той же точностью: или

_ 1 ( fmm d%k &h\ д% cfh \

Rik~~E\gm дх'дхт + дхкдх1 + дх'дх' ~ дх'дхЧ' (l ,9)

Выражение (105,9) можно упростить, воспользовавшись оставшимся произволом в выборе системы отсчета. Именно, на­ложим на hik четыре (по числу произвольных функций |') до­полнительных условия

-~- = 0' ^ = Af-i-6?A. (105,10)

дх& 2

Тогда последние три члена в (105,9) взаимно сокращаются и остается

R*--T*'mmi!Ek- . (105-П)

В интересующем нас здесь стационарном случае, когда hik не зависят от времени, выражение (105,11) сводится к /?,* = = xl<2&hik, где Д — оператор Лапласа по трем пространственным координатам. Уравнения же Эйнштейна для поля в пустоте сво­дятся, таким образом, к уравнениям Лапласа

Д/1,й = 0, (105,12)

с дополнительными условиями (105,10), принимающими вид

£-|/гб5) = 0, (105,13)

Ло=0. (105,14)

Обратим внимание на то, что эти условия все еще не фиксируют вполне однозначного выбора системы отсчета. Легко убедиться в том, что если h-,k удовлетворяют условиям (105,13—14), то таким же условиям будут удовлетворять и h\k (105,5), если только |' удовлетворяют уравнениям

А|* = 0. (105,15)

Компонента hoo должна даваться скалярным решением трех­мерного уравнения Лапласа. Такое решение, пропорциональное

1/г2, имеет, как известно, вида?—, где а — постоянный вектор.

Но член такого вида в hoo всегда может быть ликвидирован пу­тем простого смещения начала координат в члене первого по­рядка по 1/г. Таким образом, наличие такого члена свидетель­ствовало бы лишь о неудачном выборе начала координат и по­тому не представляет интереса.

Компоненты hQa даются векторным решением уравнения Лап­ласа, т. е. должны иметь вид

, _ . д 1

«0а— Лай дхр

где л.ар — постоянный тензор. Условие (105,14) дает

32 1 =0,

ар дхадх& 1

откуда следует, что Я,аВ должны иметь вид аар -f- %8а$, где аав —

антисимметричный тензор. Но решение вида X — может

дха г

быть исключено преобразованием (105,5) с i° = V> ia = 0 (удовлетворяющими условию (105,15)). Поэтому реальным смыслом обладает лишь решение

, _ а 1

Наконец, аналогичными, хотя и более громоздкими рассуж­дениями можно показать, что надлежащим преобразованием пространственных координат всегда можно исключить величины ЛаР, даваемые тензорным (симметричным по а, В) решением уравнения Лапласа.

Что касается тензора аар, то он связан с тензором полного момента Maft, и окончательное выражение для Лод имеет вид ,т 2k д 1 2k пл

~М=~-7М^' (105'1б)

Покажем это путем вычисления интеграла (96,17).

Момент Ма§ связан только с ftoa, и потому при вычислении все остальные компоненты hik можно считать отсутствующими. С точностью до членов первого порядка по ft^ имеем из

(96,2—3) (замечаем, что ga0 = ha0 = Аа0, a —g отличается от 1 лишь на величины второго порядка):

При подстановке сюда (105,16) второй член под знаком произ­водной исчезает, а первый дает

с д2 1 С ЗПаПч 6flv

Y дх^дх"1 г Ы Y г3

С помощью этого выражения находим, производя интегрирова­ние в (96,17) по поверхности сферы радиуса r(dfy nyr2do)i

i- <J> °А1«* - *p/j«<>y) dfY = - JL \ (natiyy - nfinyMay) do =

1 2

= — "3 (OayMpv °PYMav) = "3 MW

Аналогичное вычисление дает:

1 <§> №dfy = - (Aa0rf/pроа!/а) = i-M4.

Складывая обе величины, получим требуемое значение Mag.

Подчеркнем, что в общем случае, когда поле вблизи тела может не быть слабым, Ма$ есть момент импульса тела вместе с гравитационным полем. Лишь если поле слабо на всех расстоя­ниях, его вкладом в момент можно пренебречь1).

Формулы (105,6—7) и (105,16) решают поставленный вопрос с точностью до членов порядка 1/г22). Ковариантные компо­ненты метрического тензора:

gik^gfl + hft + h®. (105,17)

При этом, согласно (105,3), контравариантные компоненты с той же точностью равны

') Если вращающееся тело имеет сферическую форму, то направление М остается единственным выделенным направлением для поля во всем про­странстве вне тела. Если при этом поле слабо везде не только вдали от тела), то формула (105,16) справедлива во всем пространстве вне тела. Эта формула остается справедливой во всем пространстве и в том случае, когда центрально-симметричная часть поля не является везде слабой, но сферическое тело вращается достаточно медленно —см. задачу 1,

2) Преобразования (105,5) с £° = 0, %a=ta(xl, х2, х3) не меняют Аоа-Поэтому выражение (105,16) не зависит от выбора координаты г.

g* = gik(о) _ hik<d _ hik(2, + А«0,А,. <» (Ю5,18)

Формула (105,16) может быть переписана в векторном виде как')

г = -^г[пМ], (105,19)

где М — вектор полного момента тела. В задаче 1 § 88 было показано, что в стационарном гравитационном поле на частицу действует «кориолисова сила», такая же, какая действовала бы на частицу в системе отсчета, вращающейся с угловой ско­ростью:

q = y Vioo"rotg.

Поэтому можно сказать, что в поле вращающегося тела на уда­ленную частицу действует кориолисова сила, отвечающая угло­вой скорости:

Q^|rotg=-^r[M-3n(Mn)]. (105,20)

Наконец, применим выражения (105,6) для вычисления пол­ной энергии гравитирующего тела по интегралу (96,16). Вычис­лив нужные компоненты пш по формуле (96,2—3), получим с требуемой точностью (оставляем члены <~1/г2):

16я& дхр дхр \ г г / An г

Интегрируя теперь в (96,16) по сфере радиуса г, получим окон­чательно:

Ра = 0, Р° = тс (105,21)

— результат, который естественно было ожидать. Он является выражением факта равенства, как говорят, «тяжелой» и «инерт­ной» масс («тяжелой» называют массу, определяющую созда­ваемое телом гравитационное поле, — это та масса, которая вхо­дит в метрический тензор в гравитационном поле или, в част­ности, в закон Ньютона; «инертная» же масса определяет соот­ношение между импульсом и энергией тела и, в частности, энер­гия покоя тела равна этой его массе, умноженной на с2).

') С рассматриваемой точностью вектор ga — — goalioo » — goa-1,0 той же причине в определениях векторного произведения и ротора (см. примечание на стр. 327) надо положить у = 1, так что их можно понимать в обычном для декартовых векторов смысле.

В случае постоянного гравитационного поля оказывается возможным вывести простое выражение для полной энергии ма­терии вместе с полем в виде интеграла только по пространству, занятому материей. Получить его можно, например, исходя из следующего выражения, справедливого, когда все величины не зависят от х° '):

*8 = -Г^-^т ^Л). (Ю5,22) У-g дха

Интегрируя Ro^z—g по (трехмерному) пространству и приме­нив трехмерную теорему Гаусса, получим:

J Яо dV = Aw '

Взяв достаточно удаленную поверхность интегрирования и вос­пользовавшись на ней выражениями (105,6) для gik, получим после простого вычисления:

г>9 I л/ 4я£ 4nk _.о

Ro-W-gdV = т = -^-Р .

Замечая также, что, согласно уравнениям поля,

no 8nk /™о 1 ,тЛ Ank t~a ^i ггА ~,з\ до = —г- у о — * ) = -34- U о — •( 1 — ' 2 — •( з).

получаем искомую формулу:

Р° = тс = j^(T°0 - Т\ - т1- 7|) dV. (105,23)

Эта формула выражает полную энергию материи и постоянного гравитационного поля (т. е. полную массу тела) через тензор энергии-импульса одной только материи (R. Tolman, 1930). На­помним, что в случае центральной симметрии поля мы имели для той же величины еще и другое выражение — формулу (100,23).

Задачи

') Из (92,7) имеем ^

D0_.0iff - i)i ( дТю | rl vm _vmvl J Kq—g Kin g I dxi +li0llm lill0mj>

а с помощью (86,5) и (86,8) находим, что это выражение может быть написано как

о0 - 1 д / /—- п(„1 \ Jmr.0 vi , R° 'у— В 8 гго) + g rmjF<0;

с помощью того же соотношения (86,8) легко убедиться в том, что второй член справа тождественно равен —^ Ijm и вследствие независимо-

сти всех величин от х° обращается в нуль. Наконец, заменив по той же причине в первом члене суммирование по I суммированием по а, получим (105,22).

1. Показать, что формула (105,16) остается справедливой для поля во всем пространстве вне вращающегося сферического тела при условии мед­ленности вращения (момент М cmrg), но без требования слабости цент­рально-симметричной части поля (А. Г. Дорошкевич, Я. Б. Зельдович, И. Д. Новиков, 1965; В. Г'урович, 1965).

Решение. В сферических пространственных координатах (*' = г, х* == в, х8==_ ф) формула (105,16) записывается как

Аоз=-^-з1п*в. (1)

Рассматривая эту величину как малую поправку к шварцшильдовой метрике (100,14), надо проверить выполнение линеаризованного по hoa уравнения Лоз = 0 (в осталы: лх уравнениях поля поправочные члены выпадают тожде­ственно). Лоз можно вычислить по формуле (4) из задачи к § 95, причем линеаризация сводится к тому, что трехмерные тензорные операции должны производиться по «невозмущенной» метрике (100,15). В результате полу­чается уравнение

\ 7~) "дг^ Т3"" г* Щ V"snTe" ~дТГ"/ =

которому выражение (1) действительно удовлетворяет.