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重力場での線素

eatern27の回答

  • eatern27
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回答No.4

重力を無視する近似で構わないのなら、観測者の近傍で ds^2 = -dw^2 + dx^2 + dy^2 + dz^2 として良いでしょうが、重力の事を考えたいのなら計量テンソルが位置に依存していると考えなければいけません。一般相対論の枠組みでは計量テンソルが定数であるのなら重力が一切出てこないからです。 #3へのお礼について 仰る議論は要するに、加速度が無視できるという事を仰っているのだろうと思います。 例えば、磁場中の荷電粒子のサイクロトロン半径を知りたい時など、速度しか関係しないものを考えるのなら速度の変化を無視していい事もあると思います。 しかし、例えば、運動方程式を見てやると粒子の加速度は力と密接な関係にありますので、速度の変化(加速度)はいつでも無視できる訳ではありません。(加速度を無視すると、力を無視しなければいけませんので、力を受けて運動する物体の運動を一切扱えなくなります) #3への補足の物差しが曲がっている云々については、 例えば、2本の「まっすぐ」であるはずの物差しの始点と終点を重ねた時に、物差しの間に隙間ができる事は決してないと言えるのですか?(隙間ができる場合があるかどうかはきちんと考えてはいませんが)

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質問者

補足

お付き合いくださり、ありがとうございます。 ものさしも、そんなに長い物ではなくて、とても短いものさしを想定します。 長いものさしならおっしゃる通りの隙間ができるかもしれないですが、 重力が強ければその分だけものさしも短くしてしまって、物差の全域で計量の値は一定とみなせるほど 短くしてしまいます。 重力場で静止している人が、例えばその人の周囲1メートル以内で、微小時間、微小距離を考えたときに ds^2 = -dw^2 + dx^2 + dy^2 + dz^2 が成り立つと言うのはそういう座標変換がありえるということで理解しました。この式がなりたつのは そういう条件が必ずつくと言う事ですね。 そしてこれが成り立つ範囲で、ものさしが使われるとします。 加速度の無視の話は、これがなりたつ範囲では計量はローレンツ計量なので、測地線は直線になるはずなので 物体の運動は直線で近似されるはずだと思ったからです。 一般相対論でも固有時とは物体に取り付けた時計であると定義されていると思います。 すると、固有時は dx = dy = dz = 0とすれば得られますので ds^2 = -dτ^2 = - dw^2 となります。結局、 w = τ 、つまり重力場の人が普通に手に持っている時計の進みが w であると 思われます。 さて、ここで慣性系を一旦考えて、1メートルの棒を用意したとします。それを10[cm]のものさしで 測って1メートルだと分かるとします。 この棒とものさしをそのまま重力場にもってきますと、どちらも同じ割合だけ縮んでしまい、 ものさし対棒は 1対10 のままです。つまり、ものさしで測る限り、棒の長さは1メートルのままです。 一方、ds^2 の値を求めるため、この棒の近くから自由落下をして局所慣性系に移った別の人がいるとします。 局所慣性系の人がこの棒を測定すれば、それは1メートルのはずです。(自由落下した瞬間を考えれば、まだ速度は0のままです) すると、局所慣性系(変数をW,X,Y,Zとします)の人の観測で、 ds^2 = -dW^2 + dX^2 +dY^2 + dZ^2 ですが、長さの測定でdW=0 になりますから、 ds^2 = dX^2 + dY^2 + dZ^2 = 1 [メートル^2] となります。こうして ds^2 の値が求まりました。これを、先ほどの重力場の人の立場に戻りますと、 ds^2 = 1 [メートル^2] = dx^2 + dy^2 + dz^2 ですが、これこそまさに重力場の人が手にしているものさしで測った長さそのものです。 つまり、x,y,z という変数は手にしたものさしを基準に、w は手にした時計で作られた座標系であると言えます。 長文失礼しました。書き方がマズくて不明な箇所があるかもしれません。 お付き合いくだされば幸いです。 よろしくお願いいたします。

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