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码报:【j2开奖】时空的乐章——引力波百年漫谈:从早期猜测到弱场近似(3)

时间:2016-11-04 14:52来源:本港台直播 作者:开奖直播现场 点击:
将(1)式带入爱因斯坦场方程(2.9)式 R μν - (1/2)g μν R = 8πT μν [5] ,并且只保留 hμν 的线性项,可以得到 ?λ?λhμν- ?λ?μhλν-?λ? ν hλ μ + ?μ?νhλλ = ﹣

  将(1)式带入爱因斯坦场方程(2.9)式Rμν - (1/2)gμνR = 8πTμν[5],并且只保留 hμν 的线性项,可以得到

?λ?λhμν-?λ?μhλν-?λ?νμ+ ?μ?νhλλ = ﹣16πG(Tμν -½ημνTλλ)(2)

  需要说明的是,(2)式中 hμν Tμν 的所有指标都是用闵科夫斯基度规ημν来升降的,因为否则就会引进 hμν 的非线性项。

  (2)式虽然是线性的,却依然有相当的复杂性。幸运的是,我们还有一个“杀手锏”尚未使用,那就是广义相对论所具有的广义协变性。广义协变性使我们可以对4个时空坐标进行任意变换,而在那样的变换下,广义相对论中的度规、联络等都将发生相应的变化。利用这种变化,我们可以选择特殊的坐标,使得度规、联络等具有最易于处理的形式,这是研究广义相对论问题的重要技巧。熟悉电磁理论的读者也许看出来了,广义相对论所具有的广义协变性类似于电磁理论中的规范不变性(gauge invariance),对时空坐标的任意变换类似于电磁理论中的规范变换(gauge transformation),而由此带来的对度规、联络等的选择则相当于在电磁理论中选择规范条件(gauge condition)。所不同的是,电磁理论中的规范变换只涉及一个任意函数,相应的规范条件也只有一个,而广义相对论中的坐标变换涉及4个任意函数,从而可以导致4个类似的条件——称为“坐标条件”(coordinate conditions)。

  坐标条件的选择不是唯一的,就像电磁理论中规范条件的选择不是唯一的。爱因斯坦在早年的研究中——包括理论框架完成之前的阶段里——往往只采用一个坐标条件,即 g = -1(其中g是度规张量 gμν 的行列式)。满足这一条件的坐标被称为“幺模坐标”(unimodular coordinates)。不过当他对弱场近似进行更系统的研究时,很快发现幺模坐标不适合研究引力波,因而自1916年6月发表引力波研究的第一篇论文“引力场方程的近似积分”(Approximative Integration of the Field Equations of Gravitation) 开始,转而采用了荷兰物理学家德西特 (Willemde Sitter) 提出的一组坐标条件:?μ(hμν—½ημνhλλ)= 0。这组条件共有4个,从而充分利用了广义协变性带来的便利,满足这组条件的坐标被称为“各向同性坐标” (isotropic coordinates)。

  利用各向同性坐标,爱因斯坦于1918年给出了有关弱场近似下引力波的若干重要结果。不过时隔一个世纪,我们已没有必要重复爱因斯坦的选择,而将采用一种更受现代研究者青睐的坐标条件:调和坐标条件(harmonic coordinate conditions,也称为“谐和坐标条件”)。用数学语言来表示,调和坐标条件指的是:

gμνΓλμν= 0 (3)

  满足这组总计4个条件的坐标则被称为“调和坐标” (harmonic coordinates,也称为“谐和坐标”)。

  调和坐标是20世纪20年代由比利时数学家德唐德 (Théophile de Donder) 和匈牙利物理学家兰佐斯 (Cornelius Lanczos) 彼此独立地提出的[6]。调和坐标条件作为一个坐标条件,本身并不受弱场近似的限制,但我们讨论的既然是弱场近似,则对调和坐标条件也需要作一个弱场近似,只保留hμν的线性项。不难证明,这种近似下的调和坐标条件(3)可以表述为:

?μhμν = ½?νhμμ (4)

  细心的读者也许注意到了,(4)式跟前面提到过的各向同性坐标所满足的条件是完全相同的。因此调和坐标与各向同性坐标在弱场近似下是相同的,不过这种相同只限于弱场近似,在普遍情形下两者是不同的坐标。

  利用(4)式可以很容易地证明——感兴趣的读者不妨自己试试——(2)式左侧除第一项外的其他三项相互抵消。由此我们得到一个高度简化了的、很漂亮的广义相对论弱场近似:

?λ?λhμν = -16πG(Tμν - ½ημνTλλ) (5)

(责任编辑:本港台直播)
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