Een lichtstraal bij een massa

Zware massa’s bepalen het traject van een lichtstraal
Mijn vertrekpunt voor deze afleiding is de Schwarzschild-oplossing:
Door links en rechts de
wortel
te nemen krijg ik een uitdrukking voor het interval ds:
Het interval geeft de afstand aan tussen twee gebeurtenissen, of wat wiskundiger gezegd hoe iets van het ene
punt in de vierdimensionale ruimtetijd naar het volgende punt gaat.
Indien dat
geodetisch
gebeurt dan laat dat ‘iets’ zich meevoeren door de kromming van de ruimtetijd zoals de
metrische tensor dat beschrijft:
Het totale
geodetische
pad dat afgelegd wordt van punt A naar punt B is de som van alle stukje ds die onderweg afgelegd worden:
En hier mogen geen afwijkingen op zijn (die moeten nul zijn), want anders is het traject niet meer
geodetisch.
Dus we gaan een stukje variatiewiskunde doen en ik eis (waarbij ik direct gebruik maak van vergelijking (4)):
Dit combineer ik met vergelijking (3):
Vervolgens vul ik de
Schwarzschild-oplossing in,
want die beschrijft (in dit geval) de metrische tensor:
Om hiermee verder te komen ga ik gebruik maken van de
Euler-Lagrange-vergelijking:
Hierin komt x overeen met onze parameter s, f is de functie
binnen de
wortel van vergelijking (7)
(dat is heel prettig), en y
n is respectievelijk t, r, φ en θ.
Ik ga de
Euler-Lagrange-vergelijking
inzetten voor t en φ:
Ik stel:
Waaruit volgt:
Dus de puntmassa bevindt zich in de oorsprong en ik ga ervan uit dat de
geodetische lijn zich ter hoogte van de
evenaar om die puntmassa bevindt.
Die evenaar mag ik uiteraard vrij kiezen (want er is bolsymmetrie), dus deze aanname is legitiem.
Vergelijking (1) wordt dan:
En vergelijking (9b) wordt:
Vergelijking (13) ga ik aan beide zijden
integreren naar s:
Waarin J een constante is.
In vergelijking (14) herkennen we uiteraard (toch?) de relativistische variant van de
tweede wet van Kepler (de perkenwet).
Perken krijgen uiteraard een hele andere betekenis in een gekromde ruimte, maar de geldigheid van de perkenwet
blijft overeind.
Die ga ik iets anders opschrijven:
Vervolgens pak ik vergelijking (9a) en die ga ik ook aan beide zijden
integreren naar s:
Waarin K een constante is.
Dit ga ik iets anders opschrijven:
Door de vergelijkingen (15) en (17) op elkaar te delen krijg ik:
Nu komt er een hele belangrijke meevaller, want voor een lichtstraal is het interval ds altijd gelijk aan nul.
Vergelijking (12) versimpelt hiermee tot:
Vervolgens deel ik door dt
2:
Hier vul ik vergelijking (18) in:
Ik breng de
Schwarzschild-straal
even in herinnering, de
horizon
van een
zwart gat:
Hiermee wordt vergelijking (21):
En ik introduceer een constante P:
Waarmee vergelijking (23) tenslotte wordt:
Het plusminteken is verschenen doordat ik in de laatste stap de
wortel
heb genomen.
Indien de beweging van de oorsprong vandaan is dan is dr positief en dient het plusteken gebruikt te worden,
en gaat de beweging richting de oorsprong dan is dr negatief en is het minteken van toepassing.

Kromming van de ruimtetijd buigt een lichtstraal af