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第562章 曲率、度规、张量和偏微分方程(2/4)

止的参考系中,u_μ = (-c, 0, 0, 0)。于是t_00^(m) = pc2,t_ij^(m) = p δ_ij,其他分量为零。”

    她调出第四个屏幕:“现在我们考虑屏蔽解除过程。令S(r,t) = 1 - f(t)·g(r),其中g(r)是空间衰减函数,描述幽能场的空间分布。

    那么完整的t_μν为:t_00 = pc2 S(r,t),t_ij = p S(r,t) δ_ij。”

    “将这一形式代入线性化场方程,”塔维尔的手指飞舞,公式如瀑布般流下,“得到关于h_μν的波动方程。

    对于横向无迹部分,即引力波部分,我们有:□? h_ij^tt = -(16πG/c?) Σ_ij^tt,其中Σ_ij是应力的横向无迹投影。”

    她调出第五个屏幕,上面出现积分符号:“在远场近似下,解为推迟势:h_ij^tt(t, x) = (4G/c?) ∫ d3x Σ_ij^tt(t - |x-x|/c, x)/|x-x|。”

    “现在关键来了,”塔维尔眼睛发亮,“对于突然出现的质量,Σ_ij的时间行为由S(r,t)的时间导数决定。

    具体地,Σ_ij ∝ p v_i v_j + p δ_ij,其中v_i是速度场。

    在物体整体静止但引力效应‘出现’的情况下,主要贡献来自压力项的时间变化。”

    她调出第六个屏幕:“压力p与密度p通过状态方程相关。

    对于典型物质,p = K p^Γ,其中K是常数,Γ是绝热指数。当屏蔽解除时,p的有效值从近零跃变到实际值,导致p也发生跃变。”

    “计算Σ_ij^tt的时间导数,”塔维尔的声音里带着一种残忍的快意。

    “我们需要考虑二阶时间导数:?2/?t2S(r,t)]。由于S(r,t)包含exp(-t2/2t2),其二阶导数在t=0处取极值:?2S/?t2|_{t=0} = -1/t2。”

    洛德已经开始揉太阳穴了。

    塔维尔调出第七个屏幕:“代入具体数值。假设弹体质量m = 10^20 kg,约小型小行星,特征半径R = 100 km,屏蔽解除时间t = 10^-12 s。

    平均密度p? = 3m/(4πR3) ≈ 7.16x10^12 kg/m3,这已经是中子星密度量级了——

    别问我为什么这么密,这是为了武器效果优化的特殊构造。”

    她继续输出公式:“对于简并物质,压力p ≈ (?2/(5m_e)) (3π2)^{2/3} p^{5/3},其中m_e是电子质量。

    代入p?得p? ≈ 10^28 pa。那么?2p/?t2在峰值时刻约为p?/t2 ≈ 10^52 pa/s2。”

    “现在计算引力波应变的峰值。”塔维尔调出第八个屏幕,“在距离r处,h_peak ≈ (G/c?) · (1/r) · |?2q/?t2|,其中q是质量四极矩。对于球体,q ~ m R2。

    但更精确地,对于压力驱动的引力波,有效源项是应力的体积积分:|?2q/?t2| ~ V · |?2p/?t2| · R2,其中V是体积。”

    她快速计算:“V = 4πR3/3 ≈ 4.19x10^15 m3。

    于是|?2q/?t2| ~ 4.19x10^15 x 10^52 x (10^5)^2 ≈ 4.19x10^77 kg·m2/s2。”

    “在r = 1000 km处,”塔维尔调出第九个屏幕,上面出现最终计算结果,“h_peak ≈ (6.67x10^-11)/(9x10^16) x (1/10^6) x 4.19x10^77 ≈ 3.1x10^44 x 4.19x10^77 ≈ 1.3x10^122。”

    她停顿了一下,看着已经彻底呆滞的洛德:“这个数值显然没有物理意义,因为它超过了普朗克应变h_planck ~ 1。

    这说明我们的线性近似在t这么短的时间尺度下完全失效,必须考虑完整的非线性爱因斯坦场方程。”

    塔维尔调出第十个屏幕,上面开始出现张量分析的复杂符号:“在非线性情况下,度规扰动h_μν不再是小量。

    我们需要直接数值求解完整的爱因斯坦方程:R_μν - (1/2)R g_μν = (8πG/c?)t_μν。

    在球对称情况下,使用各向同性坐标,度规一般形式为:ds2 = -A(r,t)c2dt2 + b(r,t)(dr2 +dΩ2)。”

    “场方程分解为两个独立方程:”她继续无情地输出,“(1) ?/?r (r2 ?b/?r) = 8πG/c? ·b2 t_00,
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