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史瓦西坐标系转化为克鲁斯卡尔坐标系的问题

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第一,是如何通过数学变换消除了史瓦西半径处的奇异性。第二,怎样看懂下面这张史瓦西黑洞的时空图


IP属地:广东来自Android客户端1楼2025-03-19 14:06回复
    不是消除了奇性,是本来就没有奇性,由于坐标选择不恰当导致有了奇性。比如不用直角坐标而用极坐标,那么坐标原点就变成了奇点。不用克鲁斯卡坐标,改用内向外向爱丁顿坐标同样能够消除奇性。
    史瓦西时空的彭罗斯图,是通过共形变换的方式将时空紧化。其中锯齿状线是奇点,四条边是过去和将来的类光无穷远点,一区二区互为平行时空区,但只有类空联系不可穿越。二区四区是单向膜区,二区是黑洞区而四区是白洞区。中间的交叉线就是事件视界。对于史瓦西时空单向膜区以外的静止观者,其世界线是双曲线,对应于闵氏时空中的加速观者,体现了等效原理。


    IP属地:上海来自Android客户端2楼2025-03-19 14:59
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      但是到底怎么样推导出这个坐标变换,以及如何将四维时空映射到这张二维图就交给吧主了。


      IP属地:广东来自Android客户端3楼2025-03-19 15:41
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        史瓦西黑洞时空结构的共形图?不过似乎有错,正确的史瓦西半径应是r=2GM/c²才对,但图片这里写成r=2N/2?
        =========
        I 和 IV 区:代表黑洞外部的两个独立宇宙(正常时空)。
        II 区:黑洞内部,穿过事件视界(r=2M)后单向通向奇点(r=0)。
        III 区:可能对应白洞区域(理论上的时间反演黑洞)或另一个宇宙。
        r=0:黑洞奇点,时空曲率无限大。
        r=2/√2 或 r=√2:可能表示事件视界位置(史瓦西半径的简化,单位制归一化形式?写成这个样子)。
        Ü+V=±π/2:可能表示Kruskal-Szekeres坐标中的光锥边界,通过双曲函数或角度参数化,从而将无限远映射到有限坐标。


        IP属地:广东4楼2025-03-20 11:43
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            先看懂平直时空的彭罗斯图
            左图:普通时空图,缺点是无穷远处的点无法纳入图中
            中图:利用反正切函数的特点,令T=arctan(t),X=atctan(x),可以把无穷远处点纳入图中了,但缺点是光不再按45°的斜直线走了(如图中的光锥是一个扭曲的),会导致判断运动时不直观
            右图:构造纵轴=arctan(t+x)+atctan(t-x),横轴=arctan(t+x)-atctan(t-x),当然也可以整体除以2。此时就能保证:①无穷远处点在图中;②光按45°的斜直线走


          IP属地:安徽5楼2025-03-20 14:41
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              再看史瓦西时空
              左图:史瓦西静态坐标系的时空图,虽然红虚线(等t线)和蓝虚线(等x线)画得横平竖直,但并不代表时空平直……而绿线是一个进入黑洞的粒子。图的缺点很多:没有纳入无穷远,使得绿线要先到t的无穷远处,再从无穷远处“回来”
              注意t只是一个名为t的坐标参数:在视界外,它可以作为描述时间的参数,r处静止观者的时间=∫√(1-2M/r)dt;但在视界内,不存在静止观者,这个名为t的坐标【不能】作为描述时间的参数……随着粒子坠向奇点,坐标t会不断变小,但这并不代表物理上的时间倒流,只是一种几何表象
              这些奇葩的几何表象都是因为史瓦西静态坐标系的缺陷,所以要进行坐标变换
            中图:令(r/2M-1)e^(r/2M)=X²-T²,代数上叫坐标变换,几何上就是时空图的变形。变形效果如图,把奇点拉到上面了,红虚线(等t线)和蓝虚线(等x线)都扭曲了……因为图已经有点乱了,我就没画绿线了,但应该能想象到,绿线在图上可以直接穿过视界进入灰色区域。这个坐标系的坐标T,作为描述时间的参数其实更佳
              这个坐标系就是Kruskal坐标系,但时空图也有缺点:r的无穷远处没有纳入图中
            右图:构造纵轴=(arctan(T+X)+atctan(T-X))/2,横轴=(arctan(T+X)-atctan(T-X))/2,于是时空图又变形了,成了Kruskal坐标系的彭罗斯图,特点是:①无穷远处点在图中;②光按45°的斜直线走;③度规在视界上有定义
              最后,中图和右图其实还可以延拓出3区(平行时空)和4区(白洞),但这是一种偏向数学而非物理的东西,所以我没有画出来


            IP属地:安徽6楼2025-03-20 15:38
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              IP属地:广东7楼2025-03-21 21:59
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                拉伸视界区域到无穷远,实际上是透过改变坐标的尺度,消除坐标奇点,使得视界变成了一个可以连续描述的地方,且不再影响时空的因果结构。


                IP属地:广东9楼2025-03-24 17:29
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                  至于为什么引入UV后能消除,当β=1/4M时,我画红框的那项就是2M/(r-2M)了,然后就是画绿线的约分,导致视界奇异的那个分母r-2M不存在了,就这么简单……


                  IP属地:安徽来自Android客户端11楼2025-03-25 00:35
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