廣相——施瓦西黑洞
愛因斯坦的廣義相對(duì)論是一個(gè)描述引力作用的基本理論。在這個(gè)理論中,引力是由物體的質(zhì)量和能量引起的時(shí)空曲率所產(chǎn)生的。黑洞是廣義相對(duì)論的一種解,代表了一個(gè)具有極強(qiáng)引力的天體。
要推導(dǎo)出黑洞的具體過程,我們需要從愛因斯坦場(chǎng)方程出發(fā)。愛因斯坦場(chǎng)方程描述了時(shí)空的曲率與物質(zhì)分布之間的關(guān)系:
G_{μν} = (8 * π * G) / c^4 * T_{μν}
其中,G_{μν}
?是愛因斯坦張量,表示時(shí)空的幾何屬性;T_{μν}
?是能量-動(dòng)量張量,表示物質(zhì)分布;G
?是引力常數(shù),c
?是光速。
要求解場(chǎng)方程,我們需要首先確定合適的度規(guī)張量?g_{μν}
?來描述時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)。對(duì)于球?qū)ΨQ的黑洞,我們可以選擇 Schwarzschild 度規(guī)(靜態(tài)球?qū)ΨQ度規(guī)):
ds^2 = -(1 - 2 * G * M / (r * c^2)) * c^2 * dt^2 + (1 - 2 * G * M / (r * c^2))^(-1) * dr^2 + r^2 * (dθ^2 + sin^2(θ) * dφ^2)
這里,M
?是黑洞的質(zhì)量,(t, r, θ, φ)
?是 Schwarzschild 坐標(biāo)系。
將 Schwarzschild 度規(guī)代入愛因斯坦場(chǎng)方程,求解場(chǎng)方程。經(jīng)過一系列計(jì)算,我們可以得到對(duì)應(yīng)的能量-動(dòng)量張量?T_{μν}
。在 Schwarzschild 度規(guī)中,能量-動(dòng)量張量非零分量?jī)H在對(duì)角線上,即物質(zhì)分布呈球?qū)ΨQ。
當(dāng)考慮一個(gè)靜態(tài)黑洞時(shí),物質(zhì)分布在無窮遠(yuǎn)處。此時(shí),我們需要關(guān)注 Schwarzschild 半徑?r_s
?的定義:
r_s = (2 * G * M) / c^2
當(dāng)?r < r_s
?時(shí),時(shí)空發(fā)生奇異性,引力無法克服,所有物體都將被吸入黑洞。這個(gè)臨界半徑也被稱為黑洞的視界。
總結(jié)一下,我們從愛因斯坦場(chǎng)方程出發(fā),選擇合適的度規(guī)張量,求解場(chǎng)方程,得到描述黑洞的 Schwarzschild 解。這個(gè)解給出了黑洞視界的定義以及黑洞引力場(chǎng)的性質(zhì)。