论文“电磁波引力红移的广义相对论严格解”。续一
度规的一般表示为:
ds2=-gμυdχμdχυ 对L.S. (2)
ds2=-ηαβdξαdξβ 对I.S (3)
gμυ 是有引力时的度规张量,μ,ν=0,1,2,3 ;ηαβ 是无引力时的度规张量,α,β= 0,1,2,3 。当上标符号与下标符号重合时则表示对所有可能指标相加求和。
根据周期T的定义,它是相继波峰到达空间确定点的时间间隔(T≡△t p-p ),在任意一个确定的点有:dχ1=dχ2=dχ3=0,
dξ1=dξ2=dξ3=0,时-空中四维间隔平方(1)和(2)式变成:ds2=-g00( dχ0)2=-η00( dξ0)2
dχ0 c(d t)L -η00
——= ———— =(———)1/2
dξ0 c(d t)I - g 00
TL ∫(d t)L -η00
——≡ ———— =(———)1/2
TI ∫(d t)I - g 00
υL -g00
——=( ——— )1/2 (4)
υI -η00
根据波长λ 的定义,它是在一个坐标系中某时刻测得的相邻波峰的空间距离,λ≡(△r)pp ,对任意选取的某一时刻有:dχ0≡c d t =0, dξ0≡c d t =0,时-空中四维间隔平方ds2的表示式(2)和(3)变成三维空间间隔平方d s 32 ,令i , j=1,2,3,有:
ds 2=-gi jdχidχj=d s32 , ds2=-ηi j dξi dξj=d s32
当L.S.中的引力场是稳定的,g i 0=g j 0= 0,这时指定两点间的空间距离d r 是恒定不变的,直接用尺(gi j)测量就行,使得稳定引力场中的空间距离d r就等于三维空间间隔d s3 :
d r=d s3=(-g i j dχi dχj)1/2 对L.S. (5)
无引力的I.S中恒有ηi 0=ηj 0= 0,其空间微分距离dl恒等于三维空间间隔d s3,有:
dl=d s3=(-ηi j dξi dξj)1/2 对I.S (6)
由式(5)和式(6)可求出:稳定引力场中波长 λL=△r=∫dr跟无引力时的波长λI=△l=∫dl之比为
λL ( -g i j dχi dχj)1/2
——= —————————— (7)
λI (-ηi j dξi dξj)1/2
当L.S.中的引力场不稳定,则两点间的空间距离d r是变化的,测量d r除了要用尺(gi j)之外还要用到由光信号定义的同时性,因此还需要用到钟(g00)。定义同时性的光波满足ds2=0,从(2)式分离出时间分量dχ0≡cdt,由g0j dχj =g0i dχi和度规的对称性gi 0= g0i ,可得光的传播方程为:
-ds2=g0 0(dχ0)2+(gi 0dχi +g0j dχj)dχ0+gi jdχidχj
=g0 0( dχ0)2+2(gi 0dχi )dχ0+gi jdχidχj=0 ,
所以
dχ0=g0 0-1{-gi 0dχi ±[(gi 0 dχi)2-gi jg0 0dχidχj]1/2}
由(gi 0 dχi)2=(gi 0 dχi)(gj 0 dχj)=gi 0 gj 0 dχi dχj ,可得:
dχ0=g0 0-1{-gi 0dχi ±[(gi 0gj 0-gi jg0 0)dχidχj]1/2 (8)
同时性的条件下dχ0=0,使光的传播方程(8)式变成:
gi 0gj 0
±g0 0- ½gi 0dχi= [-(gi j- ———)dχi dχj]1/2 (9)
g0 0
由此可见:同一时刻(dχ0=0)两奌间的距离d r不仅与gi j有关,还直接与g0 0,gi 0,gj 0有关,因此,L.S.中的引力场不稳定的一般情怳下 , 由光信号定义的同时性决定的空间微分距离d r为:
gi 0gj 0
d r=[-(gi j - ——— )dχi dχj]1/2, (10)
g0 0
对于一个质量为M的静止质点产生的引力场,有广义相对
论惟一的严格解Schwarzschild度规:
2GM 2GM
ds2=(1-———)c2dt2 -(1-———)-1 dr 2
c2r c2r
-r 2dθ2 ― r 2sin2θdφ2 (11)
U GM
将它转变到笛卡尔坐标系并忽略掉(—)2项,这里U = ——
c2 r
是牛顿引力势,r是离质奌M的距离,则L.S.中的度规变成:
2U 2U
ds2=(1- —— )c2dt 2 -(1+——)(dx2+dy2+dz2) (12)
c2 c2
2U 2U
或在式(2)中:g 00 =-1+——,g11=g22=g33=1+——,
c2 c2
gμυ=0 当 μ≠υ。
让I.S.相对于质点M静止,则:
ds 2=c2dt 2 -(dx2+dy2+dz2)
或在式(3)中:η00=-1,η11=η22=η33=1,ηχβ=0
当α≠ β 。
再根据式(4)和式(7)有 :
TL U υL U λL U
— =1+ ——,—— =1- ——,——=1+ ——
TI c2 υI c2 λI c2
或
υL-υI U
βυ ≡ ——— =-—— (13)
υI c2
λL-λI U
βλ≡- ———=- —— (14)
λI c2
βυ 是减小频率的相对红移率;βλ 是增大波长的相对红移率。
因为υI是不变的,由(13)式υL将随离质点M的距离r而变化。从M作一条到光束s的垂线,长度为D,令θ是垂线D与M到光子的连线r之间的夹角,则r cosθ=D ,故有
GM GM cosθ
U(r)= ——=—————=U(θ),又由式(13)有:
r D
U(θ)
υ L(θ)-υ I(θ)=-υ I(θ) ———
c2
从θ到θ+dθ之间的引力势U(θ)对引力红移的贡献δυ为:δυ=[υL(θ)-υI(θ)]dθ
U(θ) GMcosθ
=-υI(θ)——— dθ=-υI(θ)————dθ
c2 c2D
注意,这里不是比较同一坐标系中的υL(θ)与υL(θ+dθ),因为经由这样的比较不能给出可供观察的值。我们比较的是L.S.中的υL与I.S.中的υI ,因为只有υL与υI的差值能够被直接地测量。这正如在Hafele等【6】的实验中比较的是铯原子钟在飞机上的周期T飞 与在地面上的周期T地 之差,而不是比较飞行铯原子钟在前后瞬时的周期T飞(t1)与T飞(t1+dt)之差。
从点2(r =-∞,θ=-π∕2)到点1(r =∞,θ=+π∕2)的全部路径中的引力红移是:
△υ=∫-∞∞ δυ=∫-π/2π/2[υ L(θ)-υ I(θ)]dθ
=[υ L(π∕2)-υ I(π∕2)]
-[υ L(-π∕2)-υ I(-π∕2)]
=[υ L(1)-υ I(1)]-[υ L(2)-υ I(2)]
=[υ L(1)-υ I(1)]-[υ L(2)-υ I(1)]
U (θ)
=∫-π/2π/2 –υ I(θ) ——— dθ
c2
GMcosθ
=∫-π/2π/2 –υ I(θ)—————dθ
c2D
π 2GM 2GM
=-υI(—)——— =-υI ——— (15)
2 c2D c2D
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