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{{noteTA
|T=zh-hans:爱因斯坦场方程; zh-hant:愛因斯坦重力場方程式;
|G1=物理學
}}
[[File:Swiss-Commemorative-Coin-1979b-CHF-5-obverse.png|right |thumb| 刻上真空場方程式的紀念硬幣。]]	

'''愛因斯坦重力場方程'''（{{lang-en|Einstein field equations}}）是一組含有10個方程式的方程組，由愛因斯坦於1915年<ref name=Ein1915>{{cite journal |last=Einstein |first=Albert |authorlink=Albert Einstein |date=November 25, 1915 |title=Die Feldgleichungen der Gravitation |journal=''Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin'' |pages=844–847 |url=http://nausikaa2.mpiwg-berlin.mpg.de/cgi-bin/toc/toc.x.cgi?dir=6E3MAXK4&step=thumb |accessdate=2006-09-12}}</ref>在[[廣義相對論]]中提出。此方程組描述了[[重力]]是由物質與能量所產生的[[時空]]彎曲所造成。<ref name="ein">{{cite journal |last=Einstein |first=Albert |authorlink= |title=The Foundation of the General Theory of Relativity |journal=''[[Annalen der Physik]]'' |volume=354 |issue=7 |pages=769 |year=1916 |publisher= |url=http://www.alberteinstein.info/gallery/science.html |doi=10.1002/andp.19163540702 |format=[[PDF]] |id= |accessdate= |bibcode=1916AnP...354..769E |archive-url=https://web.archive.org/web/20120206225139/http://www.alberteinstein.info/gallery/gtext3.html |archive-date=2012-02-06 |deadurl=yes }}</ref>也就是說，如同牛頓的[[萬有引力]]理論中質量作為重力的來源，亦即有質量就可以產生重力，愛氏的相對論理論更進一步的指出，動量與能量皆可做為重力的來源，並且將「重力場」詮釋成「時空彎曲」。所以當我們知道物質與能量在時空中是如何分布的，就可以計算出時空的曲率，而時空彎曲的結果即是重力。

愛因斯坦重力場方程是用來計算動量與能量所造成的時空曲率，再搭配[[測地線方程]]，就可以求出物體在重力場中的運動軌跡。這個想法與[[電磁學]]的想法是類似的：當我們知道了空間中的電荷與電流(電磁場的來源)是如何分布的，藉由[[馬克士威方程組]]，我們可以計算出電場與磁場，再藉由[[勞侖茲力|勞倫茲力方程]]，即可求出帶電粒子在電磁場中的軌跡。

僅在一些簡化的假設下，例如：假設時空是球對稱，此方程組才具有精確解。這些精確解常常被用來模擬許多宇宙中的重力現象，像是[[黑洞]]、膨脹宇宙、[[重力波]]。

==數學型式==
===愛因斯坦重力場方程式===
: <math>G_{\mu\nu} = R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}g_{\mu\nu} R = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu\nu}</math>

其中
* <math>G_{\mu\nu}\,</math>稱為[[愛因斯坦張量]]，
* <math>R_{\mu\nu}\,</math>是從[[黎曼張量]]縮併而成的[[里奇張量]]，代表曲率項；
* <math>R\,</math>是從[[里奇張量]]縮併而成的[[純量曲率]](或[[里奇數量]])；
* <math>g_{\mu\nu}\,</math>是從(3+1)維時空的[[度量張量]]；
* <math>T_{\mu\nu}\,</math>是[[能量-動量-應力張量]]，
* <math>G\,</math>是[[重力常數]]，
* <math>c\,</math>是真空中[[光速]]。

愛因斯坦場方程是一組含有若干4階對稱[[張量]]的張量方程。每一個張量都有10個獨立的分量。由於4個[[比安基恒等式]]，我們可以將10個愛因斯坦場方程式減少至6個獨立的方程組。這導致了度規張量''g{{sub|μν}}''有4個自由度，與座標選取的4個自由度是對應的。

雖然愛因斯坦場方程一開始是一個應用在四維時空的理論，但是一些理論學家嘗試將它應用在探索n維時空上。真空中的場方程(當方程式右邊的T張量等於零)定義了愛因斯坦[[流形]]。

儘管愛因斯坦方程的形式看起來很簡單，實際上他們是一組複雜的二阶非線性[[微分方程]]。只要給定一個質量與能量分布，亦即[[應力-能量張量|能量-動量張量]]，愛因斯坦場方程就變成一個度規張量''g{{sub|μν}}''的微分方程。

一般我們藉由定義[[愛因斯坦張量]]( 一個對稱的與度規''g{{sub|μν}}''有關的二階張量)
： <math>G_{\mu \nu} = R_{\mu \nu} - \tfrac{1}{2} R \, g_{\mu \nu},</math>
來將愛因斯坦場方程寫成一個更加簡單的形式： 

<math>G_{\mu \nu} = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu \nu}.</math>。

若使用[[幾何化單位制]]，則''G'' = ''c'' = 1，場方程因此簡化為：
 
<math>G_{\mu \nu} = 8 \pi T_{\mu \nu}\,.</math>

如果是使用[[幾何化單位制#相對論中的幾何化單位制|相對論中的幾何化單位制]]（有理化的幾何化單位制），則場方程為：

<math>G_{\mu \nu} = 2 T_{\mu \nu}\,.</math>

此時，方程變得更簡單，連<math>\pi</math>都沒有。

===等價形式===
經愛因斯坦方程組兩邊同乘以''g{{sub|μν}}''：

<math>R - \frac{D}{2} R + D \Lambda = {8 \pi G \over c^4} T \,</math>
其中D是時空維度。

兩邊再同除以<math>\frac{D}{2} -1</math>：

<math>-R +  \frac{D \Lambda}{(\tfrac{D}{2} -1)} = {8 \pi G \over c^4} \frac{T}{\tfrac{D}{2}-1} \,.</math>

兩邊再同乘−{{sfrac|1|2}}''g{{sub|μν}}''：

<math>R_{\mu \nu} - \frac{ \Lambda g_{\mu \nu}}{\tfrac{D}{2}-1} = {8 \pi G \over c^4} \left(T_{\mu \nu} - {1 \over {D-2}}T\,g_{\mu \nu}\right) .\,</math>

一般情況下，D=4：

<math>R_{\mu \nu} -  \Lambda g_{\mu \nu} = {8 \pi G \over c^4} \left(T_{\mu \nu} - \tfrac{1}{2}T\,g_{\mu \nu}\right) .\,</math>

== 愛因斯坦場方程式的性質 ==
=== 能量與動量守恆 ===

場方程式的一個重要結果是遵守局域的（local）能量與動量[[守恆律|守恆]]，透過[[應力-能量張量]]（代表[[能量密度]]、[[動量密度]]以及[[應力]]）可寫出：

:<math>\nabla_\nu T^{\mu \nu}= T^{\mu \nu}{}_{;\nu}=0</math>

場方程式左邊（彎曲幾何部份）因為和場方程式右邊（物質狀態部份）僅成比例關係，物質狀態部份所遵守的守恆律因而要求彎曲幾何部份也有相似的數學結果。透過微分[[比安基恒等式]]，以描述[[時空]][[曲率]]的[[里奇張量]]<math>R^{\mu \nu} \,</math>（以及[[張量縮併]]後的里奇純量<math>R \equiv R^\mu_\mu \,</math>）之代數關係所設計出來的愛因斯坦張量<math>G^{\mu \nu} \equiv R^{\mu \nu} - {1\over 2} g^{\mu \nu} R</math>可以滿足這項要求：

:<math>\nabla_\nu G^{\mu \nu}=G^{\mu \nu}{}_{;\nu}=0</math>

=== 場方程式為非線性的 ===
愛因斯坦場方程式的[[非線性]]特質使得[[廣義相對論]]與其他物理學理論迥異。舉例來說，[[電磁學]]的[[麦克斯韦方程組]]跟[[電場]]、[[磁場]]以及[[電荷]]、[[電流]]的分佈是呈[[線性]]關係（亦即兩個解的[[線性疊加]]仍然是一個解）。另個例子是[[量子力學]]中的[[薛定谔方程]]，對於[[波函數|機率波函數]]也是線性的。

=== 對應原理 ===
透過[[弱場近似]]以及[[慢速近似]]，可以從愛因斯坦場方程式退化為[[牛頓重力定律]]。事實上，場方程式中的比例常數是經過這兩個近似，以跟牛頓重力理論做連結後所得出。<ref name="Carroll">{{cite book |author={{link-en|西恩·卡罗尔|Sean M. Carroll}} |title=''Spacetime and Geometry – An Introduction to General Relativity'' |publisher= |edition= |isbn=0-8053-8732-3 |pages=151–159 |language=en |year=2004}}</ref>

== 添加宇宙常數項 ==
[[愛因斯坦]]為了使宇宙能呈現為[[靜態宇宙]]（不動態變化的宇宙，既不膨脹也不收縮），在後來又嘗試加入了一個[[常數]]<math>\Lambda\,</math>相關的項<math>\Lambda g_{\mu\nu} \,</math>於場方程式中，使得場方程式形式變為：

: <math>R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}g_{\mu\nu} R + \Lambda g_{\mu\nu}= {8 \pi G \over c^4} T_{\mu\nu} </math>

可以注意到<math>\Lambda g_{\mu\nu} \,</math>這一項正比於[[度規張量]]，而維持住[[守恆律]]：

: <math>\nabla_\nu (\Lambda g_{\mu \nu})= \Lambda \nabla_\nu (g_{\mu \nu}) = 0 </math>

此一常數<math>\Lambda</math>被稱為[[宇宙常數]]。

這個嘗試後來因為兩個原因而顯得不正確且多此一舉：
# 此一理論所描述的靜態宇宙是不穩定的。
# 十年後，由[[愛德溫·哈伯]]對於遠處[[星系]]所作觀測的結果證實我們的宇宙正在膨脹，而非靜態。

因此，<math>\Lambda</math>項在之後被捨棄掉，且愛因斯坦稱之為「一生中最大的錯誤」("biggest blunder [he] ever made")<ref name = gamow>{{cite book |last=Gamow |first=George |authorlink=George Gamow |title=''My World Line: An Informal Autobiography'' |trans-title=我的世界线：一份非正式自传 |publisher=[[Viking Adult]] |isbn=0670503762 |url= http://www.jb.man.ac.uk/~jpl/cosmo/blunder.html |language=en |date=1970-04-28 |accessdate=2007-03-14 }}</ref>。之後許多年，學界普遍設宇宙常數為0。

儘管最初愛因斯坦引入宇宙常數項的動機有誤，將這樣的項放入場方程式中並不會導致任何的不一致性。事實上，近年來[[天文學]]研究技術上的進步發現，要是存在不為零的<math>\Lambda</math>確實可以解釋一些觀測結果。<ref name="wahl">{{cite news |last=Wahl |first=Nicolle |title=Was Einstein's 'biggest blunder' a stellar success? |url=http://www.news.utoronto.ca/bin6/051122-1839.asp |date=2005-11-22 |accessdate=2007-03-14}}</ref>
<ref name=turner>{{cite journal |last=Turner |first=Michael S. |title=A Spacetime Odyssey |journal=''Int.J.Mod.Phys. A17S1'' |pages=180-196 |url= http://arxiv.org/abs/astro-ph/0202008 |date=May 2001 |accessdate=2007-03-14}}</ref>

愛因斯坦當初將宇宙常數視為一個獨立參數，不過宇宙常數項可以透過代數運算移動到場方程式的另一邊，而將這一項寫成[[應力-能量張量]]的一部分：
:<math>R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}g_{\mu\nu} R = {8 \pi G \over c^4} \left( T_{\mu\nu} - \frac{c^4\Lambda g_{\mu\nu}}{8 \pi G} \right) </math>

剛才提到的項即可定義為：
:<math>T_{\mu \nu}^{\mathrm{(vac)}} \equiv -\frac{c^4\Lambda g_{\mu\nu}}{8 \pi G} </math>

而另外又可以定義常數
:<math>\rho_{\mathrm{vac}} \equiv \frac{c^2\Lambda}{8 \pi G} </math>
為「[[真空能量]]」[[能量密度|密度]]。宇宙常數的存在等同於非零真空能量的存在；這些名詞前在[[廣義相對論]]中常交替使用。也就是說可以將<math>T_{\mu \nu}^{\mathrm{(vac)}} \equiv -\frac{c^4\Lambda g_{\mu\nu}}{8 \pi G}</math>看成和<math>T_{\mu\nu} \, </math>是一樣類型的量，只是<math>T_{\mu\nu} \, </math>的來源是[[物質]]與[[輻射]]，而<math>-\frac{c^4\Lambda g_{\mu\nu}}{8 \pi G} </math>的來源則是真空能量。物質、輻射與真空能量三者在[[物理宇宙學]]中扮演要角。

== 真空場方程式 ==
=== 宇宙常數為零 ===
若[[能量-動量張量]]<math>T_{\mu \nu}</math>在所關注的區域中為零，則場方程式被稱作[[場方程式#真空場方程式|真空場方程式]]。在完整的場方程式中設定<math>T_{\mu \nu}=0</math>，則真空場方程式可寫為：
:<math>R_{\mu \nu} = {1 \over 2} g_{\mu \nu} R\ </math>

對此式做[[張量縮併]]，亦即使指標μ跟ν相同：
:<math>R \equiv R^\mu_\mu = g^{\mu \nu} R_{\mu \nu} = g^{\mu \nu} {1 \over 2} g_{\mu \nu} R</math>

由於<math>g^{\mu \nu}g_{\mu \nu} = \delta^\mu_\mu </math>，整理可得：
:<math>R = \delta^\mu_\mu {1 \over 2}R</math>

而[[克羅內克爾δ]]在四維空間（時空）下取[[跡數]]為4，所以式子可寫作：
:<math>R = 4 \cdot {1 \over 2} R = 2R</math>
是故<math>R=0\,</math>。

因此可以得到此一更常見、等價的跡數反轉（trace-reversed）式：
:<math>R_{\mu \nu} = 0\ </math>

=== 宇宙常數不為零 ===

若宇宙常數不為零，則方程式為
:<math>R_{\mu \nu} = {1 \over 2} g_{\mu \nu} R - \Lambda g_{\mu \nu},\ </math>

若同上面宇宙常數為零的例子，其跡數反轉（trace-reversed）形式為
:<math>R_{\mu \nu} = \Lambda g_{\mu \nu}\ </math>

真空場方程式的解顧名思義稱作[[真空解 (廣義相對論)|真空解]]。平直[[閔可夫斯基時空]]是最簡單的真空解範例。不尋常的真空解範例包括了[[史瓦西解]]與[[克爾解]]。

附帶一提的是：[[微分幾何]]中，[[里奇張量]]為零（即：<math> R_{\mu \nu}=0 </math>）的[[流形]]稱作[[里奇平坦流形]]，另外里奇張量與[[度規]]成比例關係的流形，稱為[[愛因斯坦流形]]（Einstein manifold）。

==愛因斯坦-麦克斯韦方程==
{{see also|弯曲时空中的麦克斯韦方程组}}
如果方程組右邊的能量-動量張量等於電磁學中的能量-動量張量，也就是

:<math>T^{\alpha \beta} = \, -\frac{1}{\mu_0} \left( F^{\alpha}{}^{\psi} F_{\psi}{}^{\beta} + {1 \over 4} g^{\alpha \beta} F_{\psi\tau} F^{\psi\tau}\right)  </math>

則此方程組稱為「 愛因斯坦-麦克斯韦方程」：

:<math>R^{\alpha \beta} - {1 \over 2}R g^{\alpha \beta} +  \Lambda g^{\alpha \beta} = \frac{8 \pi G}{c^4 \mu_0} \left( F^{\alpha}{}^{\psi} F_{\psi}{}^{\beta} + {1 \over 4} g^{\alpha \beta} F_{\psi\tau} F^{\psi\tau}\right).</math>

其中<math>F_{\alpha\beta}</math>稱為[[電磁張量]]，定義如下：

:<math>F_{\alpha\beta} = A_{\alpha;\beta} - A_{\beta;\alpha}  = A_{\alpha,\beta} - A_{\beta,\alpha}\!</math>
其中<math>A_{\alpha}</math>是4-向量勢，分號代表[[協變微分]]，逗號代表偏微分。

== 參見 ==
* [[爱因斯坦-希尔伯特作用量]]
* [[廣義相對論資源]]

== 參考文獻 ==
<span style="font-size:smaller;"><references/></span>
* {{cite book |author=Amir D. Aczel |title=''God's Equation: Einstein, Relativity, and the Expanding Universe'' |trans-title= |publisher=Delta Science |edition= |isbn= |language=en |year=1999}}
* {{cite book |author1=[[查尔斯·米斯纳|Charles Misner]] |author2=[[Kip Thorne]] |author3=[[约翰·惠勒|John Wheeler]] |title=''Gravitation'' |trans-title={{link-en|重力论|Gravitation (book)|重力论}} |publisher=W. H. Freeman |year=1973}}

{{Relativity}}
{{廣義相對論}}

{{DEFAULTSORT:Einstein field equations}}
[[Category:物理定律]]
[[Category:廣義相對論]]
[[Category:偏微分方程]]