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空心球壳的引力场和时空奇异性 - 国家科技图书文献中心
密度均匀空心球和实心球体内部
引力场方程的解与奇
梅 晓 春
(福州原创物理研究所 mxc001@163.com)
内容摘要 按目前广义相对论的方法,计算物质球对称均匀分布引力场的施瓦西内部解时,为了避免球中心点上出现奇点,必须假定积分常数为零。本文证明这个积分常数不可能等于零,原因在于弯曲空间中三维球的体积与平直空间中三维球的体积不一样。先计算密度均匀的空心球壳的内部引力场,然后令空心球的内半径等于零,得到实心球的内部引力场。结果表明不论空心球和实心球的质量和密度是多少,其中心点上都会出现时空奇点。在实心球的中心点压强不可能变成无穷大,不可能出现物质向中心点崩塌的现象。在实心球中心点领域上的压强变为负值空心球压强为负内外表面压强不为零。物理上不可的只能说明广义相对论中奇异性是不。宇宙空间中如果真的存在黑洞,就只能是牛顿黑洞,不可能是爱因斯坦黑洞。
关键词:广义相对论,球对称引力场,施瓦西内部解,时空奇异性,黑洞
———————————————————————————————————————————
1.球对称引力场方程的施瓦西内部解
众所周知,爱因斯坦引力场方程具有球对称性的严格解是施瓦西解,可以分成球内部解和球外部解。对于一个半径为的静态均匀球体,设球体内物质密度是一个常数,压强与坐标有关,但不随时间而变。采用完全流体的静态能量动量张量,解爱因斯坦引力场方程,球体内部的施瓦西度规是:
(1)
式中。以上度规在球心点是有限的。然而应当指出,在求解球对称引力场方程的过程中,对于空间分量的度规张量,我们实际得到的结果是:
(2)
上式在处是发散的。为了使它在球心处有限,目前的理论是直接令积分常数本文证明这做法是不合理的严格按广义相对论计算弯曲空间中三维球的体积不等于平直空间中三维球的体积,的结果。因此不论实心球的质量和密度如何,球中心点上的空间奇异性不可避免。另外按照现有理论,球体内部的压强则为:
(3)
时。在球心处时要使压强有限,就存在一个对球体半径的限制条件:
或 (4)
式中是施瓦西半径。如果,就不可能有稳定的内部解会出现所谓的物质崩塌,产生所谓的奇异性黑洞。
然而如果(2)式中,压强就不能用(3)式表示,也就有(4)式的限制条件。目前所有以(3)式为基础,对高密度天体性质的计算都得重新考虑,奇异性黑洞理论也得重新评价。以下我们先按广义相对论严格计算密度均匀空心球体的引力场方程解,然后再讨论度规的奇异性问题。
2.密度均匀空心球体内部引力场方程的严格解
设空心球的内半径为,外半径为,质量为。在的区域和区域是真空。在两球壳之间的区域是物质均匀分布的完全流体,密度为常数,压强为。由于是物质球对称均匀分布,爱因斯坦引力场方程的球对称度规可以写为:
(5)
在球外部区域真空中,球对称引力场方程解是众所周知的施瓦西度规外部解,可以写为:
(6)
为了确定积分常数,必须在时与牛顿引力理论进行比较。对于物质球对称分布的中心引力场,:
(7)
其中是静止空心球的牛顿引力质量。将(6)和(7)式比较,得积分常数。因此在区域中,我们同样有:
(8)
对于区域的两球壳内部空间,采用混合张量形式,可以将完全流体的能量动量张量写为:
(9)
将(5)和(9)代入爱因斯坦引力场方程:
(10)
按现有广义相对论的标准计算程序,得到:
(11)
(12)
(13)
将(11)式积分,令,可得:
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