广义相对论与几何

史瓦西解

史瓦西解是爱因斯坦场方程的第一个精确解,由卡尔·史瓦西在1916年理论发表后短短数月内求得,当时他正在俄国前线服役。它描述了一个不旋转、完美球形的质量(例如理想化的恒星、行星或黑洞)外部的时空。它是广义相对论中最简单的真实引力场,也是检验这套理论的主力工具。

许多著名的预言都从这一个解中流淌而出。它解释了牛顿引力无法说明的水星轨道那一点点额外的进动,预言了钟表变慢、光线在爬出引力阱时变红,并描述了一束光掠过太阳时如何弯折。在弱引力下,它重现牛顿熟悉的平方反比定律,但又添上了一些微小的修正,而这些修正全都得到了证实。

这个解还揭示出某种令人震惊的东西。如果一个质量被压缩到某个临界半径以内,几何会变得极端到连光都无法逃逸,从而形成黑洞。那道有去无回的边界位于史瓦西半径处,其大小与质量成正比。黑洞曾在数十年间被当作数学上的奇谈而被忽视,但如今我们已能直接观测到它们,包括为星系M87中心的黑洞拍下的那张「阴影」照片。

r_s = 2 G M / c²

史瓦西半径:把质量 M 压缩进 r_s 以内,它就会变成黑洞。

这个解只描述质量外部的真空时空;真实恒星内部的几何并不相同,而且该解假定没有旋转,而真实自转的恒星和黑洞并不满足这一点。

又称
Schwarzschild metric史瓦西度规施瓦西解