Afleiding van de Reissner-Nordström-oplossing

Leid de Reissner-Nordström-oplossing af.

Schwarzschild

Mijn vertrekpunt voor deze afleiding is de Schwarzschild-oplossing:

Indien de centrale massa elektrisch geladen is, met een lading Q, dan is de totale energie die besloten ligt in het elektrische veld (voor de afleiding zie deze pagina):

Einstein

Volgens de wereldberoemde formule van Einstein zijn energie en massa equivalent:

In combinatie met vergelijking (2) wordt dit:
Deze massa is een correctie op de massa in de Schwarzschild-oplossing:
De logische vraag is natuurlijk waarom ik hier een minteken gebruik in plaats van een plusteken? Dat komt omdat twee gelijke massa’s elkaar aantrekken en twee gelijke elektrische ladingen elkaar afstoten.

Newton

Dit is de zwaartekrachtwet van Newton:


De Coulomb

En dit is de wet van De Coulomb die de elektrische kracht beschrijft:

Twee elektrische ladingen kunnen elkaar weliswaar ook aantrekken, maar dan moet er sprake zijn van een negatieve lading en een positieve lading. In dat geval is er wel sprake van aantrekking, maar getalsmatig verschijnt er dan een minteken in de vergelijking van de elektrische kracht terwijl er bij de vergelijking van de zwaartekracht een plusteken staat. Met andere woorden, óf de zwaartekracht is aantrekkend en de elektrische kracht afstotend, óf de zwaartekracht is positief en de elektrische kracht negatief. Hoe je het ook wendt of keert, ze gaan wiskundig altijd precies de andere kant op.

In de afleiding van de Schwarzschild-oplossing kun je zien dat die via de potentiaalfuncties loopt, en dat de zwaartekracht en de elektrische kracht wiskundig altijd precies de andere kant op gaan blijft je achtervolgen. Er zit altijd een minteken tussen beide! Dit is de reden van het minteken in vergelijking (5).

Reissner

Nordström
(Credits:
Eva Isaksson)

En vergelijking (5) vul ik in in de Schwarzschild-oplossing. Hierbij wil ik direct opmerken dat ik behoorlijk kort-door-de-bocht te werk ga, want de Schwarzschild-oplossing geldt in een lege (vacuüm) ruimte en dat is uiteraard niet meer het geval wanneer er elektromagnetische velden aanwezig zijn. Dus ik wil niet beweren dat dit een solide afleiding is, maar het geeft wel een goed idee om te laten zien hoe de Reissner-Nordström-oplossing in elkaar steekt. Aldus arriveren we, relatief simpel, bij de Reissner-Nordström-oplossing:

En de metrische tensor ziet er dan zo uit, voor wat we tegenwoordig een zwart gat met elektrische lading noemen: