时间标记选择

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 在坐标(t,r,q,j)中选择时间标记是任意的,但度量必须渐近为欧几里得。
  • 爱丁顿表明度量的零性取决于所选的坐标,并引入了一种坐标变换以改善描述。
  • 粒子沿测地线运动,固有时与所选坐标无关,这与宇宙时间不同。

6)时间标记的选择。

在对应于线元(25)的坐标[t, r, q, j]中,度规张量的行列式为:(34)

当r变为零时,该行列式为零。然而,1924年,Eddington [10] 表明度规张量的零性取决于坐标。首先回到初始形式(35)

强调坐标系的选择是纯粹任意的,因为度规张量是张量方程(36)

S = 0

的解,它在坐标变换下是基本不变的。我们决定粒子沿测地线运动。任意选择的坐标为这种几何解赋予了物理意义。我们可以选择x° = ct,c为常数。但我们可以选择另一个参考系。由我们决定。对于选定的时间标记x°,或t, x,唯一的要求是度规张量是渐近欧几里得的:(37)

或:(38)

如在笛卡尔坐标系中所表达的。请注意,一个黎曼度规张量是欧几里得的,如果能找到一个坐标系,使得线元的二次形式具有常数系数。符号的集合构成了签名。如果这个签名是(+ - - -),则这是一个闵可夫斯基度规。(39)

被识别为一个基本距离,似乎合理地要求度规在“远距离”处是渐近欧几里得的,无论选择的“远距离”定义是什么(r或r,如上所述)。

“宇宙时间”或“空间标记”的定义仍然是一个完全自由的选择。相反,我们不能改变固有时s,或者更准确地说,两个给定点之间的时空间隔Ds,因为它本质上与坐标无关。此外,假设粒子可以在给定的测地线上双向移动。


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图12:粒子沿给定测地线的运动。
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粒子沿测地线的运动是一个现象。变体中的另一条测地线被假定对应于“静止的外部观察者”。但静止状态取决于坐标选择(x°, x1, x2, x3),这是完全任意的。

这个“外部观察者”被认为位于变体中度规是欧几里得或准欧几里得的区域,即形式为(37)。那么静止条件意味着(40)

dx1 = 0

dx2 = 0

dx3 = 0

对于这样的静止观察者,任何固有时间隔都与任意选择的“宇宙时间”间隔相等:(41)

Ds = Dx°

...宇宙时间的选择是纯粹任意的,因此测试粒子在时间上的演化取决于这一选择。考虑给定测地线上的两点A和B,假定对应于外部观察者。这些点是时空事件。在图13中,虚线被假定对应于恒定的宇宙时间x°。


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图13:一个“静止的外部观察者”,“观察”测试粒子沿测地线的演化。宇宙时间x°
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现在考虑另一个宇宙时间x的选择。见图14。


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图14:一个“静止的外部观察者”,“观察”测试粒子沿测地线的演化。宇宙时间x **

请注意,虚线不代表光子的轨迹。光子沿特殊的零测地线移动,这些测地线在坐标变换下是不变的。

我们仍然有Ds(O) = Dx° = Dx,但Ds'(TP)和Ds"(TP)间隔可能非常不同,尽管它们指的是同一条测地线,因为(A',B')和(A",B")对可能不同。从根本上说,它们取决于所选择的时间坐标,或“时间标记”。

7)Eddington的时间坐标变换及其扩展形式。

Eddington于1924年引入的以下坐标变换,说明了这一点,是:(42)

线元变为:(43)

由于在r = Rs球面上gxx项消失,该球面成为无限红移面(如经典的施瓦茨希尔德线元所示)。矩阵变为:(44)

其行列式为:(45)

  • r 4 sin2 q

无论r的值如何都不会消失。出于稍后将解释的原因,我们将此坐标变换扩展为:(46)

在坐标系(x, r, q, j)中,线元变为:(47)

其行列式具有相同的形式(44)。请注意,Eddington的坐标变换对应于d = -1。我们使用基于函数(48)的拉格朗日方程研究测地线:

其中:

此外,从线元的表达式中,我们通常对物质粒子(ds ≠ 0)有:(49)

一个拉格朗日方程给出:(50)

考虑平面测地线q = p/2,这给出:(51)

在测地线上,相对于固有时s,j的演化是单调的。另一个拉格朗日方程给出:(52)

即:(53)

结合(49),令人惊讶的是d消失:(54)

请注意,如果r趋于无穷大时dr = 0(速度为零),则对应l = 1。当r趋于无穷大时,根据(53):(55)

如果l ≥ 1,当r趋于无穷大时,我们得到:(56)

其中

我们得到(57)

在坐标系[r, j]中,我们重新得到非零测地线(ds ≠ 0)的经典微分表达式:(58)

它提供了图7、8和9的模式。我们现在可以定义一个新的宇宙时间:(59)

x = ct

...线元(43)仍然是渐近欧几里得的。在“远距离”处,静止观察者的固有时Ds与时间间隔Dt相等。

8)径向路径的时间间隔。

我们可以从微分方程(60)计算质量非零粒子沿测地线的时间间隔Dt = Dx/c:

对于“径向测地线”(h = 0):(61)

在施瓦茨希尔德球附近,我们得到:(62)

l = 1对应于速度趋于无穷大的测试粒子。

考虑这个特殊情况:(63)

根据(54)

n = -1对应于路径(dr < 0)。

n = +1对应于路径(dr > 0)。

...请注意,Eddington的特殊坐标变换对应于(r ≥ Rs)d = +1。当我们计算测试粒子沿新宇宙时间的径向时间间隔Dt时,我们发现这个时间间隔取决于运动方向和d的符号,即dn的乘积。当它为正时,沿径向测地线(r ≥ Rs)的测试粒子的时间间隔是有限的。当它为负时,这个时间间隔变为无限。

...作为第一个结果,如果应用于对称球形黑洞模型,Eddington的坐标变换给出有限的自由下落时间Dt。当r = Rs时,粒子的速度变为:(64)

一个测试粒子,向施瓦茨希尔德球下落,以速度c到达该球。

9)光速。

光子沿零测地线移动,对应于:(65)

考虑速度:(66)

根据(65),我们得到:(67)

当r趋于无穷大时,vj趋于±c。

当dr < 0时,我们有n < 1。那么,当r = Rs对于路径(dr < 0)时:(68)

当测试粒子沿径向路径向施瓦茨希尔德球下落时,它以光速到达该球。总结如下:(69)

(70)

光速在考虑路径(dr > 0)或(dr < 0)时是不同的。

10)框架拖拽效应。

考虑克尔度规:(71)

其中r是不同于上述定义的空间坐标。我们只是重复了参考文献[1]中的方程7.110。计算光子(ds = 0)在切向于圆周(q = p/2,r = 常数)运动时的速度。我们得到:(72)

即两个不同的值。这对应于方位拖拽,是克尔度规的特性。根据参考文献[1],7.7,“克尔解和旋转”,我们读到:

一个非常有趣的物理效应源于克尔解的旋转性质;一个沿测地线运动的物体受到与参数a成正比的力,类似于科里奥利力。粗略地说,我们可以认为旋转源“拖拽”其周围的时空。在马赫意义上,源在无限处的洛伦兹边界条件“对抗”以建立一个局部惯性框架。

用Eddington坐标重新表述,黑洞作为场源,会诱导一个径向框架拖拽

11)黑洞和白洞。

在第4节中,我们建议对施瓦茨希尔德几何的一种新解释,其中施瓦茨希尔德球,见图9,表现得像一个连接两个“半时空褶皱”的喉部球体。我们可以想象一个类似的结构,结合以下两个施瓦茨希尔德几何:(73)

(74)

这两个都是从(43)导出的,第一个表达式(73)对应于d = -1,第二个(74)对应于d = +1。连接没有问题,因为d不出现在测地线[r, j]表示的计算中。见方程(58)。我们得到一对“黑洞-白洞”,没有“中心奇点”。物质可以进入黑洞,但不能从中出来。另一方面,物质可以逃离白洞,但不能进入。在一方的时间是有限的,而在另一方的时间是无限的。用新的宇宙时间x计算的有限时间与用固有时s计算的时间相似。对于径向路径:(75)

这个时间非常短。正如本文所展示的,黑洞模型依赖于特定的坐标选择,尤其是宇宙时间的选择。如第6节所述,时间标记的选择是完全任意的。经典选择给出了一个准静态系统,在这个系统中,物质被注入黑洞时,相对于外部观察者“冻结在时间中”。但本文表明,基于Eddington思想的另一个时间标记选择“解冻”了这个过程。因此,从考虑的观点来看,黑洞或黑洞-白洞对不能作为永久存在的物体,因为它们每毫秒可以吞噬数十个太阳质量。因此,仍然存在一个开放性问题:

  • 当中子星超过其稳定性极限时会发生什么?

12)表示空间。

在尝试提出一个替代模型项目之前,让我们谈谈我们可能称之为“表示空间”的东西。在文章的开始,我们研究了一个由其线元定义的二维表面。结果表明,可以将这个表面嵌入R3,从而得到这个几何对象的等距表示。顺便提到了一个表示[r, j]。

不可能给出一个四维超曲面的明显表示,因为我们无法绘制它或展示相关图像。然而,超曲面可以在许多表示空间中表示,对应于不同的坐标选择,因为该对象本质上是坐标不变的。例如,我们可以引入变换(6)。线元变为:(76)

对于r > 0

和:(77)

对于r < 0。

“径向”测地线(例如q = p/2,dj = 0)会汇聚到系统的几何中心O(在这种特殊表示中)。这一点类似于一个“超圆锥点”。在三维空间中,关于一点的对称性是P对称性。

在坐标系[t, r, q, j]中,施瓦茨希尔德线元是P对称的。它也是时间无关的(时间平移不变性,即对应于一个稳态)和时间对称的(T对称性),在变换下不变:

t → -t

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以爱丁顿坐标重新表述,黑洞作为场源,会引发“径向参考系拖拽”。

11)黑洞与白洞。

在第4节中,我们提出了对施瓦茨希尔德几何的新解释,其中施瓦茨希尔德球体(见图9)像一个“连接两个‘半时空褶皱’的喉部球体”。我们可以想象一种类似的结构,结合以下两种施瓦茨希尔德几何:(73)

(74)

这两个几何体都来源于(43),第一个表达式(73)对应d = -1,第二个表达式(74)对应d = +1。由于d不出现在计算测地线的[r, j]表示中,因此连接没有问题。参见方程(58)。我们得到一对“黑洞-白洞”,没有“中心奇点”。物质可以进入黑洞,但不能从中出来。另一方面,物质可以从白洞中逃逸,但不能进入。单向的传输时间是有限的,而另一方向则是无限的。用新的宇宙时间x计算的有限传输时间与用固有时s计算的相似。对于径向路径:(75)

这个时间非常短。正如本文所示,黑洞模型基于坐标选择的特殊性,尤其是宇宙时间的选择。如第6节所述,时间标记的选择是纯粹任意的。经典的选择给出一个准稳态系统,其中物质落入黑洞的过程相对于外部观察者“被时间冻结”。但本文表明,另一种基于爱丁顿思想的时间标记选择“解冻”了这一过程。从这个角度来看,黑洞或黑洞-白洞对不能作为永久存在的物体,因为它们每毫秒可以吞噬数十个太阳质量。因此,仍然存在一个开放性问题:

  • 当中子星超过其稳定性极限时会发生什么?

12)表示空间。

在尝试提出一个替代模型项目之前,先谈谈我们称之为“表示空间”的东西。在文章开始时,我们研究了一个由其线元定义的二维表面。结果表明,可以将该表面嵌入R3中,从而得到该几何对象的等距表示。顺便提到一种[r, j]表示。

由于我们无法绘制或展示图像,因此无法给出四维超曲面的明显表示。但该超曲面可以在许多表示空间中表示,对应于不同的坐标选择,因为该对象本质上是坐标不变的。例如,我们可以引入变换(6)。那么线元变为:(76)

对于r > 0

和:(77)

对于r < 0。

“径向”测地线(例如q = p/2,dj = 0)会汇聚到系统的几何中心O(在这种特殊表示中)。这一点类似于“超圆锥点”。在三维空间中,相对于一点的对称性是P对称性。

在该[t, r, q, j]坐标系中,施瓦茨希尔德的线元是P对称的。它也是时间不变的(时间平移不变,即对应于稳态)和T对称的,即不变于:

t → -t

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