克爾度規

廣義相對論中,克爾度規(英語:Kerr metric)或稱克爾真空(英語:Kerr vacuum),描述的一旋轉球對稱之質量龐大物體(例如:黑洞)週遭真空區域的時空幾何。其為廣義相對論的精確解英语Exact solutions in general relativity,故又稱克爾解;廣義相對論的主導方程式——愛因斯坦場方程式是非線性的,找出其精確解是相當困難的任務。

克爾度規史瓦西度規(1915年)的推廣,後者用以描述靜態不旋轉、球對稱且不帶電荷的龐大物體週遭真空區域的時空幾何。在有帶電荷的情形,史瓦西度規轉成萊斯納-諾德斯特洛姆度規(1916年–1918年)。約瑟夫·冷澤英语Josef Lense漢斯·提爾苓英语Hans Thirring曾使用弱场近似方法得到过旋转轴对称球状物体度规的近似解。直到在1963年方由羅伊·克爾提出精確解。[1],但他并没有给出推导过程。1973年Schiffer等人给出了克尔度规的推导[2]

克爾度規的帶電荷版本為克爾-紐曼度規(1965年),以上四個相關的解可整理為如下表格:

不旋轉 (J = 0)旋轉 (J ≠ 0)
不帶電荷 (Q = 0)史瓦西度規克爾度規
帶電荷 (Q ≠ 0)萊斯納-諾德斯特洛姆度規克爾-紐曼度規

其中Q代表物體所帶電荷,而J代表物體的自轉角動量

克尔度规的数学表示

若以波以耳-林德奎斯特座標寫出克爾真空解,則為:

其中

,
,
  • M為旋轉物體質量;
  • a為自轉參數(spin parameter)或稱特定角動量(specific angular momentum),描述此物體的旋轉,與角動量J有關,關係式為a = J/M
  • 所有的物理量採用幾何單位c=G=1。

當自轉參數a值為零,則表示物體無旋轉,克爾度規退化成史瓦西度規a=M的例子對應到最大旋轉程度的質量物體。

注意到:

  • 一般而言,波以耳-林德奎斯特徑向座標 r 並無簡單而直接、如同徑向座標般的詮釋。
  • 「最大」旋轉程度指的是一黑洞可以存在的最大a值,而非旋轉質量物體可以具有的最大a值。

參看

參考文獻

延伸閱讀