
- •4 По. Излучение гравитационных волн .......... . 450
- •Глава I
- •§ 1. Скорость распространения взаимодействий
- •§ 2. Интервал
- •§ 3. Собственное время
- •§ 4. Преобразование Лоренца
- •§ 5. Преобразование скорости
- •§ 6. Четырехмерные векторы
- •1. Найти закон преобразования компонент симметричного 4-тензора л'* при преобразовании Лоренца (6,1).
- •2. То же для антисимметричного тензора л'*.
- •§ 7. Четырехмерная скорость
- •Глава II
- •§ 8, Принцип наименьшего действия
- •§ 9. Энергия и импульс
- •1) Таковы световые кванты — фотоны, а также, возможно, нейтрино.
- •§ 10] Преобразование функции распределения 49
- •§ 10. Преобразование функции распределения
- •1. Частица, движущаяся со скоростью V, распадается «на лету» на две частицы. Определить связь между углами вылета последних и их энергиями.
- •2. Найти распределение раеладных частиц по энергиям в л-системе.
- •3. Определить интервал значений, которые может принимать в л-си-стеме угол между двумя распадными частицами (угол разлета) при распаде на две одинаковые частицы.
- •4. Найти угловое распределение в л-системе для распадных частиц с массой, равной нулю.
- •4Я(1 — Ксозв)2 '
- •5. Найти, распределение по углам разлета в л-системе при распаде на две частицы с массами, равными нулю.
- •6. Определить наибольшую энергию, которую может унести одна из распадных частиц при распаде неподвижной частицы с массой м на три частицы mi, тг, т3.
- •§ 12. Инвариантное сечение
- •§ 13. Упругие столкновения частиц
- •§ 14. Момент импульса
- •Глава III
- •§ 15. Элементарные частицы в теории относительности
- •§ 16. Четырехмерный потенциал поля
- •§ 17. Уравнения движения заряда в поле
- •§ 18. Калибровочная инвариантность
- •§ 19. Постоянное электромагнитное поле
- •§ 21. Движение в постоянном однородном магнитном поле
- •§ 22. Движение заряда в постоянных однородных электрическом и магнитном полях
- •1. Определить релятивистское движение заряда в параллельных однородных электрическом и магнитном полях.
- •2. Определить релятивистское движение заряда во взаимно перпендикулярных и равных по величине электрическом и магнитном полях1).
- •3. Определить скорость дрейфа ведущего центра орбиты нерелятивистской заряженной частицы в квазиоднородном постоянном магнитном поле (я. Alfven, 1940).
- •§ 23. Тензор электромагнитного поля
- •§ 24. Преобразование Лоренца для поля
- •5 25] Инварианты поля 91
- •§ 25. Инварианты поля
- •Глава IV
- •§ 26. Первая пара уравнений Максвелла
- •1) Уравнения Максвелла — основные уравнения электродинамики — была впервые сформулированы Дж, Максвеллом в 1860-х годах.
- •§ 27. Действие для электромагнитного поля
- •8 28] Четырехмерный вектор тока 101
- •§ 29. Уравнение непрерывности
- •§ 30. Вторая пара уравнений Максвелла
- •§ 31. Плотность и поток анергии
- •§ 32. Тензор энергии-импульса
- •§ 33. Тензор энергии-импульса электромагнитного поля
- •Д (dAtfdx*) 4я '
- •§ 35. Тензор энергии-импульса макроскопических тел
- •Глава V
- •§ 36. Закон Кулона
- •§ 37. Электростатическая энергия зарядов
- •§ 38. Поле равномерно движущегося заряда
- •5 88] Поле равномерно движущегося заряда 129
- •§ 39] Движение в кулонов ом поле 131
- •2. Определить эффективное сечение рассеяния на малые углы при рас* сеянии частиц кулоновым полем.
- •§ 40. Дипольный момент
- •5 4!) Муяьтипьльные моменты |35
- •§ 41. Мультипольные моменты
- •2) В соответствии с определением, принятым в квантовой механике.
- •§ 42. Система зарядов во внешнем поле
- •§ 43. Постоянное магнитное поле
- •§ 44. Магнитный момент»
- •§ 45. Теорема Лармора
- •Глава VI
- •§ 46. Волновое уравнение
- •§ 47. Плоские волны
- •1. Определить силу, действующую на стенку, от которой отражается [(с коэффициентом отражения r) падающая на нее плоская электромагнит- ная волна.
- •2. Методом Гамильтона — Якоби определить движение заряда в поле плоской электромагнитной волны.
- •§ 48. Монохроматическая плоская волна
- •1. Определить направление и величину осей эллипса поляризации по комплексной амплитуде е0.
- •2. Определить движение заряда в поле плоской -монохроматической линейно поляризованной волны.
- •3. Определить движение заряда в поле поляризованной по кругу волны.
- •§ 49. Спектральное разложение
- •§ 50. Частично поляризованный свет
- •1. Разложить произвольный частично поляризованный свет на «естественную» и «поляризованную» части.
- •2) Для прямого доказательства замечаем, что поскольку поле волны
- •3. Найти закон преобразования параметров Стокса при повороте осей у, z на угол ф.
- •§ 51. Разложение электростатического поля
- •§ 52. Собственные колебания поля
- •Глава VII
- •§ 53. Геометрическая оптика
- •§ 55. Угловой эйконал
- •§ 56. Тонкие пучки лучей
- •1. Определить фокусное расстояние для отображения с помощью двух аксиально-симметричных оптических систем с совпадающими оптическими осями.
- •2. Определить фокусное расстояние «магнитной линзы» для заряженных частиц, представляющей собой продольное однородное магнитное поле в участке длины I (рис. 8) ').
- •§ 57. Отображение широкими пучками лучей
- •§ 58. Пределы геометрической оптики
- •§ 59. Дифракция
- •§ 59] Дифракция "j97
- •§ 60. Дифракция Френеля
- •§ 60] Дифракция френеля jq3
- •§ 61. Дифракция Фраунгофера
- •1. Определить дифракцию Фраунгофера при нормальном падении плоской волны на бесконечную щель (ширины 2а) с параллельными краями, прорезанную в непрозрачном экране.
- •Глава VIII
- •§ 62. Запаздывающие потенциалы
- •§ 63. Потенциалы Лиенара — Вихерта
- •§ 64. Спектральное разложение запаздывающих потенциалов
- •§ 65. Функция Лагранжа с точностью до членов второго порядка
- •1. Определить (с точностью до членов второго порядка) центр инерции системы взаимодействующих частиц.
- •2. Написать функцию Гамильтона во втором приближении для системы из двух частиц, исключив из нее движение системы как целого.
- •Глава IX
- •§ 66. Поле системы зарядов на далеких расстояниях
- •3) В формуле (63,8) для электрического поля рассматриваемому при- ближению соответствует пренебрежение первым членом по сравнению со вторым,
- •§66} Поле системы зарядов на далеких расстояниях
- •§ 67. Дипольное излучение
- •1. Определить излучение диполя d, вращающегося в одной плоскости с постоянной угловой скоростью q').
- •§ 68. Дипольное излучение при столкновениях
- •2) Фактически обычно речь идет о дипольном моменте двух частиц — рассеиваемой и рассеивающей — относительно их общего центра инерции.
- •§ 69. Тормозное излучение малых частот
- •2) Применимость формул, однако, ограничена квантовым условием малости йш по сравнению с полной кинетической энергией частицы.
- •§ 70. Излучение при кулоновом взаимодействии
- •1, Определить полную среднюю интенсивность излучения при эллиптическом движении двух притягивающихся зарядов.
- •2. Определить полное излучение bJ5 при столкновении двух заряженных частиц.
- •3. Определить полное эффективное излучение при рассеянии потока частиц в кулоновом поле отталкивания. Решение. Искомая величина есть
- •§ 71. Квадрупольное и магнитно-дипольное излучения
- •1. Вычислить полное эффективное излучение при рассеянии потока заряженных частиц одинаковыми с ними частицами.
- •2. Найти силу отдачи, действующую на излучающую систему частиц, со-вершающих стационарное финитное движение.
- •§ 72. Поле излучения на близких расстояниях
- •1. Определить потенциалы поля квадрупольного и магнитно-дипольного излучений на близких расстояниях.
- •Спектральные компоненты потенциалов квадрупольного излучения;
- •2. Найти скорость потери момента импульса системой зарядов при да-польном излучении ею электромагнитных волн.
- •1) Отличное от нуля значение Нп получилось бы лишь при учете членов высшего порядка по а//?0-
- •§ 73. Излучение быстро движущегося заряда
- •2. Определить направления, в которых обращается в нуль интенсивность излучения движущейся частицы.
- •3. Определить интенсивность излучения заряжен- рИс- 15 ной частицей, стационарно движущейся в поле цир-
- •4. То же в поле линейно поляризованной волны.
- •§ 74. Магнито-тормозное излучение
- •1, Определить закон изменения энергии со временем для заряда, движущегося по круговой орбите в постоянном однородном магнитном поле и теряющего энергию путем излучения.
- •2. Найти асимптотическую формулу для спектрального распределения излучения с большими значениями л для частицы, движущейся по окруж- ности со скоростью, не близкой к скорости света.
- •3. Найти поляризацию магнито-тормозного излучения.
- •§ 75. Торможение излучением
- •§ 76. Торможение излучением в релятивистском случае
- •Du1 е cik d2ul е dFik I , е2 с1кв I
- •2Es dFik „ „I 2e* вц r tik _, 2e* IV , д, pkm„ ) ц1
- •1. Определить предельную энергию, которой может обладать частица после пролета через поле магнитного диполя т; вектор ш и направление движения лежат в одной плоскости.
- •2. Написать трехмерное выражение для силы торможения в релятивистском случае.
- •§ 77. Спектральное разложение излучения в ультрарелятивистском случае
- •1. Определить спектральное распределение полной (по всем направлениям) интенсивности излучения при условии (77,2).
- •2. Определить спектральное распределение полной (по всем направлениям) излученной энергии при условии (77,4).
- •§ 78. Рассеяние свободными зарядами
- •4. Определить коэффициент деполяризации рассеянного света при рассея- нии естественного света свободным зарядом.
- •5. Определить частоту (ш') света, рассеянного движущимся зарядом. Решение. В системе координат, где заряд покоится, частота света
- •6. Определить угловое распределение рассеяния линейно поляризованной волны зарядом, движущимся с произвольной скоростью V в направлении распространения волны.
- •7. Определить движение заряда под влиянием средней силы, действующей на него со стороны рассеиваемой им волны.
- •8. Определить сечение рассеяния линейно поляризованной волны осциллятором, с учетом торможения излучением.
- •§ 79. Рассеяние волн с малыми частотами
- •§ 80. Рассеяние волн с большими частотами
- •Глава X
- •§ 81. Гравитационное поле в нерелятивистской механике
- •§ 82. Гравитационное поле в релятивистской механике
- •§ 83. Криволинейные координаты
- •ЕШт _ дх' дхк дх1 дхт prst дх'" дх,г дх'3 дх'*
- •§ 84.. Расстояния и промежутки времени
- •§ 85. Ковариантное дифференцирование
- •§ 86. Связь символов Кристоффеля с метрическим тензором
- •Xikil дх1 Smft1 tl «*т* ы дхС 1 k,u 1 l.Kl
- •§ 86] Символы кристоффеля и метрический тензор 315
- •§ 87. Движение частицы в гравитационном поле
- •§ 88. Постоянное гравитационное поле
- •2. Вывести принцип Ферма для распространения лучей в постоянном гравитационном поле.
- •§ 90. Уравнения электродинамики при наличии гравитационного поля
- •Глава XI
- •§ 91. Тензор кривизны
- •I. Определить относительное 4-ускорение двух частиц, движущихся по бесконечно близким геодезическим мировым линиям.
- •2. Записать уравнения Максвелла в пустоте для 4-потенциала в лорен* цевой калибровке.
- •§ 92. Свойства тензора кривизны
- •Riklm — gtnR"klitf
- •IkUm дх'п дхшдхк дхтдх1 '
- •3) Мы увидим ниже (§ 95), что этим свойством обладает тензор кри- визны для гравитационного поля в пустоте.
- •§ 92] Свойства тензора кривизны 343
- •§ 93. Действие для гравитационного поля
- •1_ Оо ав уй dggy dgpa
- •§ 94. Тензор энергии-импульса
- •§ 95. Уравнения Эйнштейна
- •2) Вариационный принцип для гравитационного поля указан Гильбертом (d, Hilbert, 1915).
- •§ 96. Псевдотензор энергии-импульса гравитационного поля
- •I6jife l а*' a*' j)
- •§ 97. Синхронная система отсчета
- •1. Найти вид разложения решения уравнений гравитационного поля в пустоте вблизи не особой, регулярной точки по времени.
- •3. Найти общий вид бесконечно малого преобразования, не нарушающего синхронности системы отсчета.
- •§ 98. Тетрадное представление уравнений Эйнштейна
- •Глава XII
- •§ 99. Закон Ньютона
- •2) Потенциал поля внутри однородного шара радиуса а:
- •1. Найти инварианты тензора кривизны для метрики Шварцшильда (100,14).
- •3. Определить форму поверхности вращения, на которой геометрия была бы такой же, как на проходящей через начало координат «плоскости» в центрально-симметричном гравитационном поле в пустоте.
- •4. Преобразовать интервал (100,14) к координатам, в которых пространственная метрика имела бы конформно-эвклидов вид (т. Е. Dl2 пропорционально своему евклидову выражению).
- •5. Получить уравнения центрально-симметричного гравитационного поля в веществе в сопутствующей системе отсчета.
- •6, Найти уравнения, определяющие статическое гравитационное поле в пустоте вокруг неподвижного аксиально-симметричного тела (-#. Weyl, 1917),
- •§ 101. Движение в центрально-симметричном гравитационном поле
- •§ 102. Гравитационный коллапс сферического тела
- •V ygoadt /
- •1. Для частицы в поле коллапсара найти радиусы круговых орбит (с. А. Каплан, 1949).
- •2. Для движения в том же поле определить сечение гравитационного захвата падающих на бесконечности: а) нерелятивистских, б) ультрарелятивистских частиц (я. Б. Зельдович, и. Д. Новиков, 1964).
- •§ 103. Гравитационный коллапс пылевидной сферы
- •§ 104. Гравитационный коллапс несферических и вращающихся тел
- •1. Произвести разделение переменных в уравнении Гамильтона — Якоби для частицы, движущейся в поле Керра (в. Carter, 1968). Решение. В уравнении Гамильтона — Якоби
- •§ 105. Гравитационное поле вдали от тел
- •2. Определить систематическое (вековое) смещение орбиты частицы, движущейся в поле центрального тела, связанное с вращением последнего (/. Lense, н. Thirring, 1918).
- •§ 106. Уравнения движения системы тел во втором приближении
- •1. Определить действие для гравитационного поля в ньютоновском приближении.
- •Глава XIII
- •§ 107. Слабые гравитационные волны
- •§ 108. Гравитационные волны в искривленном пространстве-времени
- •§ 109. Сильная гравитационная волна
- •§ 110. Излучение гравитационных волн
- •51»! , Излучение гравитационных волн 45j
- •2. Найти среднюю (по периоду обращения) энергию, излучаемую в виде гравитационных волн системой двух тел, движущихся по эллиптическим орбитам (р. С. Peters, I. Mathews1)).
- •3. Определить среднюю (по времени) скорость потери момента импульса системой стационарно движущихся тел, испускающей гравитационные волны.
- •4. Для системы двух тел, движущихся по эллиптическим орбитам, найти средний теряемый ею в единицу времени момент импульса.
- •Глава XIV
- •§ 111. Изотропное пространство
- •§ 112. Закрытая изотропная модель
- •D0 1 d 8jtfe то
- •§ 113. Открытая изотропная модель
- •§ 114. Красное смещение
- •§ 115. Гравитационная устойчивость изотропного мира
- •§ 116. Однородные пространства
- •§ 117. Плоская анизотропная модель
- •§ 118. Колебательный режим приближения к особой точке
- •§ 119. Особенность по времени в общем космологическом решении уравнений Эйнштейна
- •Реперные 377, 483 Волновая зона 227 Волновой вектор 156, 158
- •Пакет 177
- •Магнитная 189 Лоренцева калибровка 150, 338
- •Сила 73
- •Отдачи при излучении 251
- •Торможения излучением 269, 274, 284, 456
- •Лагранжа 44, 70, 293, 319
- •Эйри 201, 264
§ 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 + ±h2-± hint), (105,4)
где h е= h\.
Сразу же подчеркнем, что условие малости 1цк 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 — 2km/с2 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
*
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
(л£-|/гб5) = 0, (105,13)
^ГЛо=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$, где аав —
антисимметричный тензор. Но решение вида X — может
дха г
быть исключено преобразованием (105,5) с i° = V> ia = 0 (удовлетворяющими условию (105,15)). Поэтому реальным смыслом обладает лишь решение
, _ а 1
Наконец, аналогичными, хотя и более громоздкими рассуждениями можно показать, что надлежащим преобразованием пространственных координат всегда можно исключить величины ЛаР, даваемые тензорным (симметричным по а, В) решением уравнения Лапласа.
Что касается тензора аар, то он связан с тензором полного момента Maft, и окончательное выражение для Лод имеет вид ,т 2k д 1 2k пл
*® ~М^Т=~-7М^' (105'1б)
Покажем это путем вычисления интеграла (96,17).
Момент Ма§ связан только с ftoa, и потому при вычислении все остальные компоненты hik можно считать отсутствующими. С точностью до членов первого порядка по ft^ имеем из
(96,2—3) (замечаем, что ga0 = —ha0 = Аа0, a —g отличается от 1 лишь на величины второго порядка):
При подстановке сюда (105,16) второй член под знаком производной исчезает, а первый дает
с д2 1 С ЗПаПч — 6flv
8я Y дх^дх"1 г Ы Y г3
С помощью этого выражения находим, производя интегрирование в (96,17) по поверхности сферы радиуса r(dfy — nyr2do)i
i- <J> (х°А1«* - *p/j«<>y) dfY = - JL \ (natiyM»y - nfinyMay) do =
1 2
= — "3 (OayMpv — °PYMav) = "3 MW
Аналогичное вычисление дает:
1 <§> №dfy = - (Aa0rf/p -Лроа!/а) = i-M4.
Складывая обе величины, получим требуемое значение Mag.
Подчеркнем, что в общем случае, когда поле вблизи тела может не быть слабым, Ма$ 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
(а
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.
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 8я 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.
*8 = -Г^-^т (л^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).
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.