¿Cómo calcular la aceleración de coordenadas en la relatividad general (sin ir al dominio newtoniano)?

La siguiente cita es de Gravitation and Cosmology de Weinberg. No entiendo los cálculos que conducen a la ecuación. ( 9.1.2 ) . Cualquier ayuda o recurso alternativo será útil.

1 La aproximación posnewtoniana

Considere un sistema de partículas que, como el sol y los planetas, están unidas por su atracción gravitatoria mutua. Dejar METRO ¯ , r ¯ , y v ¯ ser valores típicos de las masas, separaciones y velocidades de estas partículas. Es un resultado familiar de la mecánica newtoniana que la energía cinética típica 1 2 METRO ¯ v ¯ 2 será aproximadamente del mismo orden de magnitud que la energía potencial típica GRAMO METRO ¯ 2 / r ¯ , entonces

(9.1.1) v ¯ 2 GRAMO METRO ¯ r ¯

(Por ejemplo, una partícula de prueba en una órbita circular de radio r sobre una masa central METRO tendrá velocidad v dado en la mecánica newtoniana por la fórmula exacta v 2 = GRAMO METRO / r .) La aproximación posnewtoniana puede describirse como un método para obtener los movimientos del sistema a una potencia mayor de los parámetros pequeños GRAMO METRO ¯ / r y v ¯ 2 que la dada por la mecánica newtoniana. A veces se le llama expansión en potencias inversas de la velocidad de la luz, pero dado que en nuestras unidades esta velocidad es la unidad, preferimos decir que nuestro parámetro de expansión es v ¯ 2 , o equivalente, GRAMO METRO ¯ / r ¯ .

Hay que empezar preguntando qué necesitamos. Las ecuaciones de movimiento de las partículas son

d 2 X m d τ 2 + Γ m v λ d X v d τ d X λ d τ = 0

A partir de esto podemos calcular las aceleraciones como

d 2 X i d t 2 = ( d t d τ ) 1 d d τ [ ( d t d τ ) 1 d X i d τ ] = ( d t d τ ) 2 d 2 X i d τ 2 ( d t d τ ) 3 d 2 t d τ 2 d X i d τ = Γ i v λ d X v d t d X λ d t + Γ 0 v λ d X v d t d X λ d t d X i d t

Esto se puede escribir con más detalle como

(9.1.2) d 2 X i d t 2 = Γ i 00 2 Γ i 0 j d X j d t Γ i j k d X j d t d X k d t + [ Γ 0 00 + 2 Γ 0 0 j d X j d t + Γ 0 j k d X j d t d X k d t ] d X i d t

¡Hola! He convertido su captura de pantalla en texto usando la composición tipográfica matemática MathJax (LaTeX) (para futuras preguntas, puede consultar el tutorial básico y la referencia rápida de MathJax ). Según su pregunta, no agregué las partes después de la ecuación. 9.1.2 ya que me parecieron irrelevantes para su pregunta. Si cree que deberían estar allí, no dude en agregarlos nuevamente. ¡Gracias!
Sí, de hecho son irrelevantes. Gracias.

Respuestas (1)

Paso a paso:

(1) d 2 X i d t 2 = ( d t d τ ) 1 d d τ [ ( d t d τ ) 1 d X i d τ ]
Esta es solo la regla de la cadena del cálculo introductorio, junto con el hecho de que ( d t / d τ ) 1 = ( d τ / d t ) .
(2) = ( d t d τ ) 2 d 2 X i d τ 2 ( d t d τ ) 3 d 2 t d τ 2 d X i d τ
Esta es la regla del producto aplicada a la cantidad entre corchetes en (1).
(3) = Γ i v λ d X v d t d X λ d t + Γ 0 v λ d X v d t d X λ d t d X i d t
Aquí, hemos aplicado la ecuación geodésica para eliminar las segundas derivadas de las coordenadas en (2) y reemplazarlas por primeras derivadas. Luego hemos usado la regla de la cadena nuevamente para eliminar las derivadas con respecto a τ . Por ejemplo, tenemos
d 2 X i d τ 2 = Γ i v λ d X v d t d X λ d t = Γ i v λ ( d t d τ d X v d t ) ( d t d τ d X λ d t ) .
Una manipulación similar se aplica a la d 2 t / d τ 2 término en (2).

Finalmente, la ecuación. (9.1.2) se obtiene de (3) extrayendo los términos de "tiempo" de todas las sumas del "índice griego" sobre los cuatro índices. Esto deja atrás las sumas espaciales ("Índice romano").