• Nie Znaleziono Wyników

6.1 Energia układów wyspowych.

Energię określamy jako całkę względem 3-wymiarowego obszaru, która to moŜe być przekształcona, za pomocą twierdzenia Gaussa w całkę względem 2-wymiarowej powierzchni otaczającej źródło. Wynika stąd, Ŝe dla przestrzennie zamkniętego świata energia całkowita jest równa zeru. Z tej przyczyny zastanowimy się nad modelami otwartymi asymptotycznie płaskimi, poniewaŜ w tym przypadku pojęcie energii całkowej jest sensowne.

Uściślijmy pojęcie „czasoprzestrzeni asymptotycznie płaskiej”. Szczegółowa analiza asymptotycznej struktury

czasoprzestrzeni wprowadzona jest w rozdziale 7, teraz wystarczające będzie podejście nieco naiwne, ale wystarczająco dokładne dla naszych celów, oparte na asymptotycznym układzie współrzędnych kartezjańskich.

W takim układzie współrzędnych 4-wymiarowa metryka oraz jej pochodne przy r →∞ zachowują się jak : gµν - ηµν = O(1/r) ; gµν, α = O( 1/r2 ) ; Γµ

νλ = O( 1/r2 ) (6.1)

Dla metryki 3-wymiarowej bij , pędów πij , funkcji tempa N oraz przesunięcia Ni słuszna jest następująca asymptotyka :

gij - ηij = O(1/r) ; πij = O( 1/r2 ) (6.2)

N – 1 = O(1/r) (6.2)

N, k = O( 1/r2 ) ; Ni = O(1/r) (6.2)

Ni, k = O( 1/r2 ) ; Γi

jk = O( 1/r2 ) (6.2)

Warunki te nie ograniczają przekształceń współrzędnościowych x’µ = fµ(x), w skończonym obszarze jednak funkcje asymptotyczne fµ powinny mieć postać [137] :

fµ (x) = Λµ

ν xν + aµ + O(1/r) (6.3)

∂ν fµ (x) = Λµ

ν + O(1/r2 ) (6.3)

∂α ∂β fµ (x) = O( 1/r2+ ε ) , ε > 0 (6.3)

gdzie : Λµ

ν – macierz przekształcenia Lorentza, aµ

– dowolny stały wektor.

Dla przekształceń infinitezymalnych metryki oraz współczynników koneksji ( symboli Christoffela ) [ zobacz (1.11) ] :

δθ gµν = - £θ gµν = -gµν, ρ θρ - gµα θα, ν - gνα θρ,µ (6.4)

δθΓλ

µν = - £θΓλ

µν = -∇ν ∇µ θλ - θρRλµρν (6.4)

gdzie : θµ = ωµν xν + aµ ; ωµν = Λµ ν - δµ

ν ; aµ – wielkości infinitezymalne.

Postępując za L.D. Faddewem [137], oznaczymy przez G nieskończenie parametryczną grupę, generowaną przez powyŜsze przekształcenia. W grupie tej istnieje podgrupa normalna G0 generowana przez przekształcenia postaci (6.4), toŜsamościowymi w przestrzennej nieskończoności. Grupa ilorazowa : P = G/G0 pokrywa się z grupą Poincare’go.

Grupa G jest grupą symetrii działania i równań ruchu, grupa G0 jest grupą cechowania w asymptotycznej czasoprzestrzeni. Zatem, obserwable określone są z dokładnością do przekształceń naleŜących do grupy G0.

Przeanalizujemy podejście Yorka dotyczącego konforemnych własności energii [95]. WyraŜenie ADM dla energii (2.45) zaleŜy w sposób jawny tylko od wewnętrznej geometrii przekroju Σt ,a nie jawnie od wewnętrznej geometrii πij

( przez rozwiązanie równań więzów ). Porównajmy energię określoną przez róŜne warunki początkowe dla których geometrię wewnętrzne są zaleŜne konforemnie, bij = φ4 bij. Wtedy z (2.45) wynika, Ŝe :

E = E0 – (4/κ)

∇o φ ▲dso ∞

lub

E - E0 = - (4/κ)

∇o φ ▲dso ∞

Stąd za pomocą twierdzenia Gaussa otrzymujemy :

E - E0 = - (4/κ)

∇o φ √bo d3x (6.5)

Σt

W przypadku płaskiej metryki tła, energia całkowa jest równa :

E = - (4/κ)

∇o φ √bo d3x (6.6)

Σt

Zatem, w definicji energii według Yorka wymagamy, aby geometria czasoprzestrzeni była asymptotycznie konforemnie-płaską. Jest słabszy warunek niŜ wymaganie geometrii asymptotycznie płaskiej.

Rozpatrzmy maksymalny przekrój Σt , który określony jest przez warunek xij = 0 o topologii R3 × T. ZałóŜmy, Ŝe brak jest źródeł asymptotycznych. W tym przypadku µij = 0 [ zobacz definicję µij we wzorze (2.46)], a z (2.46) wynika, Ŝe bij spełnia konformene równanie Killinga :

£w bij = ∇i Wj + ∇j Wi = 2/3 ( ∇L WL )bij (6.7)

Więz hamiltonowski (2.47) przyjmuje postać :

8 ∇o φ = - 2κ φ5ρ (6.8)

gdzie : φ → ∞ w przestrzennej nieskończoności,

dla energii całkowitej otrzymujemy zatem następujące wyraŜenie :

E =

φ-1 √b ρ d3x (6.9)

Σt

Łatwo zauwaŜyć, Ŝe (6.6)przechodzi w newtonowską definicję energii grawitacyjnej układu, jeśli uwzględnić zachowanie asymptotyczne φ : φ ≈ 1 – ½ Φ , gdzie : Φ potencjał newtonowski

E = (1/4π)

∆Φ dV (6.10)

Rola całek powierzchniowch w określeniu energii. Po raz pierwszy najpełniejsze badanie roli dywergencji w zasadzie wariacyjnej zostało przeprowadzone w pracach Regge’go i Teitelboim’a [113]. ( później analogiczne badanie zostało wykonane przez Gibbonsa i Hawkinga ) Ich analiza oparta była na wymaganiu inwariantności działania względem grupy asymptotycznych symetrii G, określonej wcześniej. Rozpatrzmy wykorzystywany zwykle w OTW lagranŜjan :

Ŧ = √-g R. Po uwzględnieniu warunków asymptotycznych (6.1), (6.3) : δŦ = - £θ Ŧ = - ( £θα ),α = O( 1/r3 )

Skąd po scałkowaniu ( z wykorzystaniem twierdzenia Gaussa )wynika, Ŝe δθ I ≠ 0 tj. działanie nie jest inwariantne względem przekształceń z grupy G. Wywód ten jest słuszny równieŜ dla podejścia ADM. Inwariantność działania w tym

oraz innych przypadkach związana jest z obecnością w 3-wymiarowej krzywiźnie członów liniowych względem symboli Christoffela, które mogą być wydzielone w postaci dywergencji. Odrzucenie dywergencji pozwala przejść do

lagranŜjanu, zapewniającego inwariantność działania względem grupy symetrii asymptotycznych.

Znajdziemy teraz zmianę funkcji Hamiltona przy wariowaniu zmiennych kanonicznych :

δH =

d3x [ ( 3δH/δbij ) δbij + ( 3δH/δπij ) δπij ] -

dsp Gijkp ( Nδ bij |k – N, k δbij ) -

-

dsp [ 2Nk δπkp + ( 2Nk πjp – Np πij ) δbij ] (6.11)

Gijkp := ½ √b ( bik bjp – bip bjk – 2bij bkp ) (6.12)

Wykorzystując warunki asymptotyczne (6.2) oraz równania pola, dla wariacji działania otrzymujemy wyraŜenie o postaci :

2κδI = -

dt

dsp Gijkp δbij | k (6.13)

Pierwsza część tego wyraŜenia pokrywa się z (2.45), jeśli załoŜyć, Ŝe : δbij = bij - ηij . Na podstawie tego Regge i Teitelboim wnioskują o konieczności odjęcia dywergencji z hamiltonianu i zakładają :

H~ = H + E[bij ] (6.14)

Gdzie :

E[bij ] =

dsp ( bik, i – bij, k ) (6.15)

WyraŜenie to po podzielniu przez 2κ pokrywa się z definicją energii według ADM.

W takim razie zarówno analiza Yorka jak i analiza Regge’go i Teitelboim’a prowadzi do wniosku o konieczności odjęcia dywergencji (6.15) przy definiowaniu energii. ZauwaŜmy równieŜ, Ŝe energia ADM pokrywa się z jej wyraŜeniem poprzez pseudotensor energii-pędu Landaua-Lifszyca.

Podstawowym niedostatkiem energii ADM jest to, Ŝe jej wyraŜenie jest jawnie niekowariantne i wymaga pozostawania w klasie współrzędnych asymptotycznie kartezjańskich. Kowariantne wyraŜenie dla energii moŜna otrzymać jeśli załoŜymy, Ŝe przestrzeń jest asyptotycznie konformenie-płaska. W tym przypadku z (6.7) wynika, Ŝe :

δw bij = - 2/3 bij∇a Wa = -2 Φbij (6.16)

współczynnik 2 wprowadzono dla wygody. Funkcja Φ asymptotycznie zachowuje się jak Φ → 1 ( r →∞ ).

Podstawiając (6.16) do (6.13) , znajdujemy : δI = -(2/κ)

dt

√b ∇ Φ▲ds

Aby zatem działanie było inwariantne względem grupy przekształceń konforemnych – grupy asymptotycznych symetrii ( dowód tego, Ŝe grupa przekształceń konforemnych jest grupą symetrii asymptotycznych odłoŜymy do rozdziału 7 ) koniecznym jest dodanie do funkcji Hamiltona całki postaci :

E = (a/κ)

d3x √b ∆Φ = (a/κ)

b ∆Φ▲ds

Gdzie współczynnik a określamy z wymogu inwariantności działania względem przekształceń (6.16) i jest on równy 2.

Ostatecznie dla funkcji Hamiltona otrzymujemy wyraŜenie o postaci :

H~ = H + E (Φ )

E (Φ ) = (2/κ)

√b ∆Φ▲ds (6.17)

Łatwo zrozumieć, Ŝe moŜna je w trywialny sposób uogólnić na przypadek dowolnego rozczepienia czasoprzestrzeni za pomocą cięcia Σt :

E (Φ ) = (2/κ)

∆Φ dV (6.18)

Σt.

Nasze wyraŜenie dla energii róŜni się od wyraŜenia ADM i Yorka (6.5). Jak wyjaśnimy w paragrafie 6.3 i 6.4 pokrywa się ono z określeniem energii według Komara-Piranie’go ( zobacz paragraf 3.4 ) i tym samym ustanowiony zostaje związek między energią ADM i jedno indeksowymi wielkościami zachowanymi.

6.2 Twierdzenie Noether i formalizm Lie-monadowy.

Podejście lagranŜjanowskie. Zastosujemy twierdzenie Noether w postaci, wskazanej w paragrafie 3.1 w ramach formalizmu Lie-monadowego. Niech lagranŜajn zaleŜny będzie równieŜ od drugich pochodnych :

Ŧ = Ŧ ( AB- , AB- ,α- , AB- ,α-, β- , £ξ AB- )

( taką postać ma np. lagranŜjan pola grawitacyjnego w sformułowaniu Lie-monadowym ).

Z wymogu jego inwariantności względem infinitezymalnych translacji, wzdłuŜ pola wektorowego ξ otrzymujemy słabe prawo zachowania [85, 87 ] :

£ξ℘ + æα,α = 0 (6.19)

gdzie : ℘ -to hamiltonian (1.98), a :

æα = ( 3δŦ/ δAB- ,α- ) £ξ AB- + ( ∂Ŧ/ ∂AB- ,α-, β- ) £ξ AB-, β- (6.20) - jest gęstością wektora Poynting'a.

Przy analizie twierdzenia Noether dla przestrzennych translacji wzdłuŜ pola wektorowego η, g(η, ξ ) =0 dochodzimy do W przypadku kongruencji tworzących dwuparametryczną rodzinę krzywych, pola η i ξ komutują : [ η, ξ ] = 0 i (6.21) moŜemy przepisać następująco :

£ξ P(η) + Tα(η ), α = 0 (6.23)

Dalszą analizę będziemy prowadzić przy załoŜeniu, Ŝe [ η, ξ ] =0. ToŜsamości Noether dla rozpatrywanego przypadku mają postać ( porównaj z formalizmem symetrycznym w rozdziale 3 ) :

( δŦ/ δAB- ) AB-, ρ- + [ ( δŦ/ δAB- ) 3AB |τ

U podstaw definicji gęstości pędu ustanowimy wymóg liniowości względem pola wektorowego η ( wielkość P(η) nie posiada takiej własności ). Z tych wszystkich przedstawionych załoŜeń określimy gęstość pędu w kierunku pola wektorowego η jako :

Þ(η) = [ ( ∂Ŧ/ ∂£ξ AB- ) AB-, ρ - Чα

ρ, α ] ηρ (6.25)

( analogiczna konstrukcja w mechanice ośrodków ciągłych nazywa się gęstością pędu falowego ) Wykorzystując toŜsamości Noether (6.24) i definicje (6.25), moŜemy przepisać (6.23) do postaci :

£ξ Þ(η) + ŧα (η), α = 0 (6.26)

gdzie :

ŧα (η) = 3Љαβ ηβ + pαβ ( 3Чτβ

σ ησ + 2 3Џτλβ σ ησ, λ ) (6.27)

3Љαβ = Љα -β- - gęstość symetrycznego tensora energii-pędu.

Z (6.19) , (6.26) otrzymujemy całkowe prawa zachowania :

£ξ

d3x = -

æα dsα (6.28)

Σ ∂Σ

£ξ

Þ(η) d3x = -

ŧα (η) dsα (6.29)

Σ ∂Σ

Nich wektory ei obrazują przestrzenną bazę na Σt. W tym przypadku składowe gęstości pędu pola mają postać : Þi = βji ei i odpowiednie prawa zachowania mają postać ( w przypadku bazy naturalnej wielkości Þi określają składowe współrzędnościowe gęstości pędu pola ) :

£ξ Þi + ŧα

i, α = 0 (6.30)

£ξ

Þi d3x = -

ŧαi dsα (6.31)

Σ ∂Σ

Istotne jest to, Ŝe względem ogólnych przekształceń współrzędnościowych wielkości Þ(η) ,℘, P(η) zachowują się jak gęstości skalarne o wadze 1, a wielkości ŧα (η), Tα (η) ,æα – jak gęstości wektorowe o wadze 1 ( w przypadku jeśli lagranŜjan jest gęstością skalarną ) zatem otrzymywane prawa zachowania są kowariantne. ZauwaŜmy, Ŝe na Σt przejście od jednej bazy do drugiej dokonuje się według zasady : e’i = αji ej . Zatem dla Þi prawo przekształcenia moŜemy zapisać

następująco : Þ’i = αj

i Þj . Liniowy charakter tego przekształcenia jest waŜny dla uzgodnienia naszych definicji i definicji wprowadzanych w STW.

Podejście hamiltonowskie. W celu uproszczenia, rozpatrzymy przypadek z lagranŜjanem nie zaleŜnym od drugich pochodnych : Ŧ = Ŧ (AB- , AB- ,α- , πB- ). Prawa zachowania energii i pędu mają poprzednią postać, zmieniają się tylko określenia wielkości wchodzących w te prawa :

æα = - ( ∂Ŧ/ δAB- ,α- ) £ξ AB- (6.32)

Þ(η) = ( πB- AB- ,ρ- -Чα

ρ, α ) ηρ (6.32)

Чαρ = πB- 3AB |αρ (6.32)

ZauwaŜmy, Ŝe hamiltonian określony jest z dokładnościa do pochodnej zupełnej po czasie ( pochodnej Liego ) gęstości sklarnej I dywergencji od 3-wymiarowej gęstości. Odpowiada to niejednoznaczności lagranzjanu, dopuszczającego dodanie składowych o postaci :

Џα, α = £ξ Џt + Џα-, α ; Џt = Џα ζα Nich ℘ = ℘0 + Џα

, α , wtedy wyraŜenie dla gęstości wektora Poyntinga przyjmuje postać :

æα = æo α - £ξ Џα- (6.33)

6.3 Analiza konkretnych pól.

Rozpatrzymy teraz zastosowanie twierdzenia Noether do pola elektromagnetycznego i grawitacyjnego.

Hamiltonian swobodnego pola E-M jest równy :

℘ = - (N/2√b ) ( πµπµ + ℑµℑµ )

Z (6.32) dla gęstości wektora Poyntinga i pędu pola znajdujemy :

æα = - (N/2√b ) eαβγ πβ ℑγ (6.34)

Þi (η) = ( 1/N2 )æα ηα (6.35)

Nich płaska fala E-M rozprzestrzenia się w kierunku pola wektorowego θ = ∂/∂u, wtedy :

℘ = - (N/√b ) πµπµ

Stąd po uwzględnieniu związku między polami elektrycznym i magnetycznym w płaskiej fali E-M : æα = ℘θα ; Þ(η) = (1/N2 )℘θα ηα

Prawa zachowania energii i pędu mają postać [ porównaj z (6.19) , (6.26) ] :

(℘λα ), α = 0 (6.36)

( Þ(η) λα ), α = 0 (6.37)

gdzie : λ = ξ + θ – wektor izotropowy.

Przejdziemy teraz do analizy pola grawitacyjnego. Podobnie jak w elektrodynamice, moŜna tu spróbować wydzielić z pośród zmiennych opisujących pole grawitacyjne, zmienne dynamiczne odpowiedzialne za promieniowanie grawitacyjne ( w liczbie 2 ) oraz zmienne analogiczne do składowych podłuŜnych potencjału wektorowego pola elektrycznego oraz zmienne określające „coulombowską część” pola grawitacyjnego. Nasza analiza, dynamicznych charakterystyk pola grawitacyjnego oparta jest na 2+1+1-rozczepieniu czasoprzestrzeni ( zobacz paragraf 1.6 )

Wykorzystując takie rozczepienie, zapiszemy lagranŜajn pola grawitacyjnego następująco :

Ŧg = ( N / √b ) ( σ*µν σ* µν - θ*µν θ* µν ) + √-g [ ½ ( d2 + η2 ) + 2pσ pσ + 2df – 2R – 2Aµ | µ + (2/√b ) £ω (√γ θ ) ] NiezaleŜne stopnie swobody będziemy utoŜsamiali z konforemnie inwariantna 2-wymiarową metryką

γ*µν = γ-1/2 γµν oraz kanonicznie sprzęŜonymi pędami πµν T : πµν T = (∂ Ŧg /∂£ξ γ*µν ) = σ* µν = ( √b/2N) γ* µρ γ* νδ £ξ γ*ρδ

Po uwzględnieniu tych wielkości oraz podstawowych wzorów wprowadzonych w ramach 2+1+1- rozczepienia łatwo zauwaŜyć, Ŝe zaleŜności hamiltonowskie i pędowe mają nastepującą strukturę :

℘dyn + Y0 (x) = 0 (6.38)

Þα- ( γ* , πT ) + Yα- (x)= 0 (6.39)

Gdzie :

℘dyn = ( N / √b ) ( πµνT πT µν + θ* µν θ*µν ) + 2√-g ( pσ pσ – ½ 2R – 2Aµ | µ )

ZauwaŜmy, Ŝe ℘dyn daje prawdziwe równania „ruchu” tylko dla zmiennych niezaleŜnych γ* , πT. Z (6.39) wynika, Ŝe Þ ( γ* , πT ) opisuje gęstość pędu pola grawitacyjnego. W istocie – jeśli obliczyć gęstość pędu pola grawitacyjnego, wykorzystując (6.25) , dla lagranŜjanu równego :

℘dyn = πµνT £ξ γ*µν - ℘dyn

to otrzymane wyraŜenie pokrywa się z Þα- ze wzoru (6.39).

Aby związać ℘dyn z energią, naleŜy zastosować zasadę odpowiedniości z teorią Newtona, dla układów wyspowych w tym przypadku z hamiltonianu powinniśmy otrzymać całkowita masę układu. JednakŜe 2-wymiarowa krzywizna dla takich układów w oddali od źródeł zachowuje się jak 2R = O(1/r2 ) i odpowiednio całka określająca masę jest rozbieŜna.

MoŜemy pozbyć się takiej rozbieŜności za pomocą przekształcenia konforemnego 2-wymiarowej metryki γµν = e2σ γoµν . Wtedy dla 2-wymiarowej krzywizny [164] otrzymujemy :

√γ 2R = √ γo ( 2R + 2∆o σ)

Wprowadzając trójwymiarową dywergencje powyŜsze wyraŜenie moŜemy przepisać następująco : 2R = e-2σ 2R o + (2/√-g ) ( √- go σ, ρ γρσ ), σ - 4e-2σ [ ln (Nk) ], ρ-- σ , ρ--

Odrzucając składowe dywergentne dochodzimy do nowego hamiltonianu postaci :

℘(~) = ( N/ √b) ( πµνT πT µν + θ*µν θ* µν ) + 2√-g ( pα pβ γαβ – Aµ | µ ) + √- go { 4 [ ln (Nk) ], ρ-- σ , ρ-- - Ro } (6.40) PoniewaŜ w wyborze przekształcenia konforemnego 2-wymiarowej metryki istnieje dowolność ( niezaleŜne stopnie swobody opisywane są przez wielkości konforemnie inwariantne ), moŜna zastanowić się nad jednym z cechowań – a konkretnie będziemy zakładali, Ŝe 2-wymiarowa geometria jest płaska. Taki wybór cechowania jest zawsze moŜliwy , poniewaŜ wszystkie 2-wymiarowe czasoprzestrzenie odpowiadają sobie konforemnie [164]. ZauwaŜmy, Ŝe wybór geometrii tła jest analogiczny do cechowania potencjału wektorowego w elektrodynamice.

Przepiszmy (6.40) po uwzględnieniu wybranej geometrii tła do postaci :

℘~

g = ( N/ √b) ( πµνT πT µν + θ*µν θ* µν ) + 2√-g { [ pα pβ + 2 exp ( -2σ)( ln(Nk) ), α σβ ] γαβ – Aµ | µ } (6.41) Znaleziony hamiltonian jest wolny od rozbieŜności dla układów wyspowych jednak energia całkowa jest równa zeru. W tej sytuacji koniecznym jest odwołać się do zasady odpowiedniości. Przypomnijmy, Ŝe nawet w mechanice klasycznej funkcja Hamiltona pokrywa się z energią tylko po odpowiedniej renormalizacji. ( problem ten omówiliśmy juŜ w paragrafie 6.1). Aby otrzymać hamiltonian prowadzący do prawidłowej wartości masy całkowej dla układów wyspowych, dodamy do (6.41) dywergencje z (6.18). Wtedy hamiltonian przyjmie postać :

℘g = ℘~

g + 4√b ∆Φ (6.42)

Przejdźmy zatem do konkretnych przykładów.

Na początek rozpatrzymy pole Schwarzschilda we współrzędnych krzywizny : ds2 = [ 1- (r0 / r)] dt2 - { dr2 / [ 1- (r0 / r)] } - r2dσ2

Wybierzemy naturalne 3+1-rozczepienie czasoprzestrzeni za pomocą przekrojów współrzędnościowych : t = const. ; N = [ 1- (r0 / r)]1/2

Wybierając wektor θµ = δµ1 i odpowiednio k = [ 1- (r0 / r)]1/2 znajdujemy, Ŝe :

℘g = 4√b ∆Φ

Następny krok polega na określeniu funkcji Φ i wektora W, jako rozwiązań równania róŜniczkowego (6.16).

Znajdujemy dla nich : Wµ = Nr θµ , Φ = N. Po uwzględnieniu tych zaleŜności hamiltonian pola grawitacyjnego dla rozwiązania Schwarzschilda moŜemy zapisać następująco :

℘g = 4√b ∆N lub

℘g = 4√b ( NGα ) | α

Stąd po scałkowaniu otrzymujemy masę źródła pola Schwarzschilda E = (2/κ)

[ (- g )1/2 Gα ] ,α d3x = (2/κ)

b Gα dsα = m

Σ ∂Σ

WyraŜenie to pokrywa się z definicją masy całkowej wyraŜonej przez jedno indeksowe wielkości zachowane, typu Komara-Piraniego.

Znajdziemy teraz dynamiczne charakterystyki pola grawitacyjnego : gęstość wektora Poynting'a i gęstość pędu.

Wychodząc ze wzorów (6.32), (6.33), (6.42) otrzymujemy :

æα = (2N/ √b ) ( πµνT || ν + παβT θαβ Lµ ) – 2 £ξ ( √-g0 σ ,µ ) – 4 £ξ ( √b∆Φ ) (6.43)

Þ(η) = (2N/ √b ) ( πµνT || ν + παβT θαβ Lµ ) ηµ (6.44)

Niech płaska fala grawitacyjna rozprzestrzenia się z kierunku pola wektorowego θ = ∂/∂u = kL , u – parametr wzdłuŜ kongruencji. ZałoŜymy równieŜ ,Ŝe metryka γµν , N, K – zaleŜne są tylko od czasu opóźnionego t – u ( fala typu Bondiego [ 73] ). W tym przypadku wektor izotropowy λ = ξ + θ jest wektorem Killinga i jak łatwo sprawdzić :

£ξ γµν = 0

Uwzględniając tą zaleŜność i tą okoliczność , Ŝe w rozpatrywanym przypadku : 2 R = ρσ = Aµ = Φ = 0 , πµνT || ν = 0

znajdujemy :

℘g = (2N/ √b ) πµνT πT µν æα = (2N/ √b ) πµνT πT µν θα Z czego wynika, Ŝe :

£ξ ℘g + æα, α = 0 (6.45)

lub

[ (2N/ √b ) πµνT πT µν λα ), α = 0 (6.46)

Analogicznie dla gęstości pędu pola grawitacyjnego znajdujemy wyraŜenie :

Þ(η) = (1/N2 )æα ηα (6.47)

Otrzymane prawa zachowania (6.45), (6.46) moŜna przepisać do postaci : ( £ξ λα

), α = 0 ; [ Þ(η) λα ], α = 0

W tym zapisie dostrzegamy ścisłą analogię z elektrodynamiką [ zobacz (6.36), (6.37) ].

6.4 Newtonowska granica teorii Einsteina.

W klasycznym sformułowaniu grawitacyjnej teorii Newtona, zakłada się ,Ŝe istnieje czas kosmiczny T, zbiór współrzędnych Galileusza ( Kartezjusza ) oraz potencjał newtonowski Φ, spełniający równanie Poissona :

∆Φ = 4πγρ. Cząstki swobodne pod działaniem sił grawitacyjnych poruszają się zgodnie z równaniem : d2xj / dt2 = - ∂Φ/ ∂xj ( j = 1,2, 3 )

Oprócz tego określona jest równieŜ procedura pomiaru : „idealny zegar“ odmierza czas kosmiczny, „idealna linijka“

odmierza długość we współrzędnych Galileusza.

Geometryczna zawartość grawitacyjnej teorii Newtona została po raz pierwszy ujawniona w pracach Cartan’a [53], a następnie w pracy Trautmana i innych ( zobacz [26] ). W tym podejściu zakłada się ,Ŝe ruch cząstek pod działaniem sił grawitacyjnych moŜna rozpatrywać jako ruch po geodezyjnych w zakrzywionej czasoprzestrzeni (* Wykorzystanie idei Caratan’a w celu badania newtonowskiego przedziału OTW za pomocą hiperpowierzchni izotropowych – zobacz [17] *) Przedyskutujemy pewne geometryczne własności czasoprzestrzeni Newtona kierując się pracą Kuchara [60].

Istnieją trzy niezaleŜne struktury : przestrzenna, kontrawariantna metryka g~αβ , α, β = 0, 1, 2, 3 ;

3+1-rozczepienia dokonywane jest za pomocą cięć T = const. , T – czas kosmiczny ; czasowa metryka hαβ oraz symetryczna koneksja ∇. Struktury te spełniają następujące postulaty :

A) Metryka g~αβ jest osobliwa o sygnaturze ( 0, 1, 1, 1 ), metryka czasowa hαβ jest osobliwa o sygnaturze ( 1, 0, 0, 0 ). ZauwaŜmy, Ŝe : hαβ = T, α T, β. Te dwie metryki są wzajemnie ortogonalne : g~αρ hρσ = 0.

B) Koneksja ∇ jest uzgodniona z obiema metrykami tj. : ∇ g = ∇ h = 0 C) Tensor krzywizny koneksji afinicznej posiada następujące własności : Hα [β Rαδ] µν = 0 ; R[ α β γ ]δ = 0

Układ tych aksjomatów dopełnia się załoŜeniem, Ŝe odległości mierzymy „idealnymi linijkami”, czas – „idealnym zegarem”, a cząstki swobodne poruszają się po geodezyjnych.

NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe w newtonowskiej czasoprzestrzeni nie moŜna wprowadzić nieosobliwej metryki

czasoprzestrzennej – moŜna wprowadzić tylko nieosobliwa przestrzenną 3-metrykę. Wynika to z tego, Ŝe w układach współrzędnych Galileusza róŜne od zera składowe koneksji mają postać Γα

00. Proste rozumowanie pokazuje, Ŝe załoŜenie o istnieniu nieosobliwej 4-metryki prowadzi do Rk0L0 ≠ - R0kL0, wynik ten jest sprzeczny z własnościami symetrii tensora Riemanna. Zatem, newtonowska teoria grawitacji opiera się bardziej na strukturze afinicznej

czasoprzestrzeni niŜ na metrycznej. Oprócz tego jak pokazujemy niŜej, załoŜenie o płaskiej 3-wymiarowej przestrzeni ( nieuchronne w podejściu Komara )nie jest zgodne z równaniami Einsteina, poniewaŜ w tym przypadku gęstość źródeł pola grawitacyjnego była by równa zeru.

Mając na uwadze dalsze przejście graniczne do teorii Newtona, załoŜymy, Ŝe tensor prędkości deformacji χαβ jest równy zeru. W tym przypadku z równania Gaussa-Codazzi’ego wynika, Ŝe :

3R = R – 2Rαβ τα τβ

Wprowadzimy następujące oznaczenia : Tµν gµν = ρ - 3T

Gdzie : 3T = - bαβ Tαβ ; ρ = Tµν τµ τν - gęstość źródeł pola grawitacyjnego.

Wtedy równanie Einsteina moŜemy zapisać w postaci :

3 R = 2κρ ; Gµ; µ = (κ/2) ( ρ - 3T ) (6.48)

Z czego wynika, Ŝe załoŜenie o płaskiej 3-wymiarowej przestrzeni prowadzi do zaniku źródeł pola grawitacyjnego ( ρ = 0). Zatem, poprawne przejście do przedziału newtonowskiego OTW powinno być wykonane z uwzględnieniem niezerowej krzywizny 3-wymiarowej przestrzeni – fakt na który wcześniej nie zwracano uwagi.

Dla symetrycznych w czasie danych początkowych ( χαβ = 0 ) 3-wymiarowa geometria jest konforemnie płaska [132]

Dokonajmy przekształcenia konforemnego bαβ = Ω2 boαβ ( odpowiednio : bαβ = Ω-2 bo αβ ), gdzie : boαβ – metryka płaska. Dla przekształcenia konforemnego krzywizny skalarnej 3R otrzymujemy wyraŜenie :

3R = 4Ω| β | γ bo βγ Ω-3 - 2Ω-4 Ω, α Ω, β bo βγ (6.49)

( linią pionową oznaczono pochodną kowariantną względem metryki tła bαβ ) Przepiszemy (6.49) następująco :

3R = - 4Ω-3 ∆o Ω + 2 [∇ ln(Ω) ]2 (6.50)

gdzie : ∆o – operator Laplacea względem metryki boαβ.

[ ∇ ln(Ω) ]2 := [ ∇ ln(Ω) ]2▲[ ∇ ln(Ω) ]

Równania Einsteina po uwzględnieniu przekształcenia konforemnego mają postać :

ρ = -(2/κ) Ω-3 ∆o Ω + (1/κ) [ ∇ ln(Ω) ]2 (6.51)

ρ + 3T = (2/κ) { ∆ ln(N) + [ ∇ ln(N) ]2 } (6.52)

Scałkujmy (6.51) względem obszaru Σ ⊂ Σt :

{ ρ – (1/κ)[ ∇ ln(Ω) ]2 } dV = - (2/κ)

∆o Ω dVo Σ ∂Σ

Całkę po prawej stronie moŜemy przekształcić w całkę po brzegu : (2/κ)

∆o Ω dVo = (2/κ)

∇ Ω ▲ ds

Skąd wynika, Ŝe w przypadku układu wyspowego gradient funkcji Ω zachowuje się asymptotycznie jak ∇ Ω ≈ γm/r2 , gdzie : m - masa źródła.

Przy tym widać równieŜ, Ŝe grawitacja ukazuje działanie ekranujące : masa źródła zmniejsza się efektywnie w związku z obecnością członu : – (1/κ) [ ∇ ln(Ω) ]2. Dlatego moŜna przyjąć , Ŝe wyraŜenie :

w = – (1/κ) [ ∇ ln(Ω) ]2 (6.53)

opisuje gęstość energii pola grawitacyjnego. W granicy newtonowskiej ( r → ∞ ) w przechodzi w znane wyraŜenie [ 61, str. 433 ] :

w → wN = - (1/8πγ) ( ∇ Φ )2 (6.53a)

gdzie : Φ - potencjał newtonowski.

ZauwaŜmy, Ŝe gęstość energii pola grawitacyjnego związana jest nie z przyspieszeniem , jak zwykło się uwaŜać, a z konforemną częścią 3-geometrii ( badanie związku między konforemną 3-geometrią i przybliŜeniem newtonowskim moŜna znaleźć równieŜ w [95] ).

Przepiszmy równania (6.51), (6.52) do ścisłej ( nie asymptotycznej ) postaci :

Ω-3 ∆o Ω = - (κ/2) ( ρ + w ) (6.54)

∆ ln(N) = (κ/2) ( ρ + 3T + 2w~ ) (6.55)

gdzie :

w = - (1/κ) [ ∇ ln(Ω) ]2 ; w~ = -( 1/κ) [ ∇ ln(N) ]2 przy czym asymptotycznie w = w~.

Równanie (6.54) określa geometrię 3-przestrzeni ( przez Ω ). W jego prawą część wchodzi gęstość energii pola grawitacyjnego równoprawnie z gęstością energii innych pól. Równanie to moŜemy rozpatrywać jako uogólnione równanie Poissona, uwzględniające „coulombowską część” pola grawitacyjnego. W swój sposób równanie (6.55) jest równieŜ uogólnieniem równania Poissona, w którym wkład do źródeł daje nie tylko gęstość energii pola grawitacyjnego i pól nie grawitacyjnych, ale równieŜ tensor napręŜeń. Tensor napręŜeń 3tµν pola grawitacyjnego moŜna wyprowadzić z warunku równowagi źródeł i pola grawitacyjnego : Tµ- ν- + 3tµν = 0 – jest to stara i zapomniana idea Lorentza.

Określa on juŜ 4-wymiarową geometrię ( przez N i Ω ). Oczywiście podział taki jest w pewnym sensie umowny, poniewaŜ do 4-wymiarowej geometrii daje wkład równieŜ gęstość energii pola grawitacyjnego ( przez Ω ). JednakŜe na 3-wymiarową geometrię, tensor napręŜenia pola grawitacyjnego i innych pól nie wpływa. Wniosek ten został ujawniony w pracy [23], w której pokazano, Ŝe krzywizna 3-wymiarowej przestrzeni nie jest związana z lokalną zasadą

równowaŜności ( w duchu windy Einsteina ), ale zaleŜność chodu zegara od pola grawitacyjnego jest jej prostą konsekwencją. W istocie bowiem czas własny ds. = Ndt oraz przyspieszenie obserwatora G = - ∇ ln(N) związane są czynnikiem normującym N. W związku z tymi rezultatami jest chyba zrozumiałe, dlaczego gęstość energii pola grawitacyjnego według Piraniego [107], pokrywająca się z 2w~, róŜni się dwukrotnie w granicy newtonowskiej od wN.

Rozdział 7