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Theoretisches über neuere optische Betrachtungen zur Relativitätstheorie. (German) JFM 47.0787.02

Der Verf. stellt sich die Aufgabe, den Satz, daßsich das Licht längs der geodätischen Linien fortpflanzt, die das vierdimensionale Linienelement \(ds\) der allgemeinen Relativitätstheorie zu Null machen, aus den Gleichungen abzuleiten, die Einstein für die elektromagnetischen Vorgänge in seiner allgemeinen Relativitätstheorie aufgestellt hat. Er stellt zunächst durch Einführung des Viererpotentials \(\Phi_i\) die der Wellengleichung entsprechende Beziehung zwischen \(\Phi_i\) und dem Viererstrom \(P_i\) auf. Sie lautet \[ P_i =- \frac {1}{\sqrt -g} \sum_{h,l}\frac {\partial^2 \Phi_i}{\partial x_h \partial x^l} +F_i. \] Um zur geometrischen Optik überzugehen, setzt er \(\Phi_i = A_i \text{exp} (\sqrt {-1} kE),\) wo sich \(A_i\) nur langsam ändert und \(E\) eine skalare Funktion der vier Koordinaten ist. Für diese ergibt sich die Gleichung \(\sum_{i,l}g^{il} \frac {\partial E}{\partial x_i}\frac {\partial E}{\partial x_l} =0\) die der Eikonalgleichung der gewöhnlichen Optik analog ist. Sie sagt aus, daßder Gradient von \(E\) ein Linienelement bestimmt, das \(ds^2 = 0\) macht. Der Verf. zeigt ferner, daßdieser Gradient, als Vektorfeld aufgefaßt, in jedem Punkt eine Fortschreitungsrichtung definiert, die eine Schar geodätischer Linien erzeugt, die nach dem oben Bewiesenen \(ds^2 = 0\) machen. Der Gradient der Wellenfunktion \(E\) definiert aber die Lichtstrahlen. Wenn man insbesondere \(E = \alpha x^4 + f (x^1, x^2, x^3)\) setzt, wo \(\alpha\) eine Funktion von \(x^1, x^2, x^3\) ist und die Schwingungsfrequenz darstellt, wobei solche Koordinaten eingeführt sind, die dem vierdimensionalen Linienelement die einem statischen Feld entsprechende Form geben, also \(ds^2 =V^2 dx_4^2- \sum_1^3 \gamma_{ik} dx_{i}dx_k,\) wo die Koeffizienten von \(x_4\) nicht abhängen, so erhält man durch Einsetzen dieses \(E\) in die Differentialgleichung der Eikonalfunktion, daßdie Schwingungsfrequenz \(\alpha\) konstant ist, d. h. in einem Koordinatensystem, das einem statischen Feld angepaßt ist, hat die Schwingungsfrequenz einer Lichtwelle einen vom Gravitationspotential unabhängigen Wert. Dieser Satz ist für die exakte Ableitung der Einsteinschen Rotverschiebung von Wichtigkeit, weil sich erst daraus die Abhängigkeit der natürlich gemessenen Frequenz an Stellen vom Gravitationspotential ergibt.