Ez a cikk az általános relativitáselmélet matematikai alapjait tárgyalja .
Intuitív érzékelésünk azt mondja, hogy a téridő szabályos és folytonos, vagyis nincsenek benne "lyukak". Matematikailag ezek a tulajdonságok azt jelentik, hogy a téridőt egy sima, 4-dimenziós differenciálható sokaság modellezi , azaz egy 4-dimenziós tér, amelyben az egyes pontok szomszédsága lokálisan egy négydimenziós euklideszi térhez hasonlít . A simaság itt elegendő differenciálhatóságot jelent, anélkül, hogy a mértékét megadnánk.
Mivel ráadásul a speciális relativitáselmélet törvényei is kielégítőek jó pontossággal , egy ilyen sokaság felruházható egy Lorentzi-metrikával , azaz egy nem degenerált metrikus tenzorral , aláírással (vagy azzal egyenértékűen ). Ennek értelme a következő részben derül ki.
Megjegyzés: Ez a cikk Misner, Thorne és Wheeler klasszikus jelkonvencióit követi [1]
Ez a cikk az ismétlődő indexek összegzésére vonatkozó Einstein-egyezményt is elfogadja .
Egy differenciálható sokaság [2] M, amely egy g lorentzi metrikus tenzorral van felruházva, tehát egy Lorentzi-sokaság , amely egy pszeudo-Riemann-féle sokaság speciális esetét képezi (a „Lorentziak” definícióját a szöveg későbbi részében részletezzük; lásd a Lorentzi metrikus szakasz alább ).
Vegyünk egy koordinátarendszert a pont közelében , és legyen lokális bázis a pontban lévő sokaság érintőterében . Az érintővektor ezután bázisvektorok lineáris kombinációjaként lesz felírva:
Ebben az esetben a mennyiségeket a w vektor kontravariáns komponenseinek nevezzük . A metrikus tenzor ekkor szimmetrikus bilineáris forma :
ahol a duálist jelöli a kotangens tér bázisához képest, azaz lineáris alakokat a -n , úgy, hogy:
Továbbá feltételezzük, hogy a metrikus tenzor összetevői folyamatosan változnak a téridőben [3] .
A metrikus tenzor tehát egy valós 4x4 szimmetrikus mátrixszal ábrázolható :
Általában minden valós 4x4-es mátrixnak eleve 4x4 = 16 független eleme van. A szimmetriafeltétel ezt a számot 10-re csökkenti: valójában 4 átlós elem van, amihez hozzá kell adnunk (16 - 4) / 2 = 6 átlón kívüli elemet. A tenzornak tehát csak 10 független komponense van.
A metrikus tenzor a sokaság minden pontjára meghatároz egy pszeudo- skaláris szorzatot („pszeudo-” abban az értelemben, hogy a pszeudo-euklidesziben nincs pozitív meghatározottsága a kapcsolódó másodfokú formának (vektor négyzete; lásd Lorentzi metrika) pontban az elosztót érintő térköz . Ha és két vektor , akkor a pontszorzatuk a következőképpen van felírva:
Konkrétan két bázisvektort véve megkapjuk a komponenseket:
Megjegyzés: ha a mennyiségek a w vektor kontravariáns komponenseit jelölik , akkor a kovariáns komponenseit a következőképpen is definiálhatjuk:
Tekintsük egy pont és egy végtelen közeli pont közötti elemi eltolási vektort: . Ennek a vektornak az invariáns infinitezimális normája egy valós szám lesz, amelyet az intervallum négyzetének jelölünk, és egyenlő:
. |
Ha az elemi eltolási vektor összetevőit "fizikai úton" jelöljük ki , akkor a hossz (intervallum) infinitezimális négyzete formálisan így lesz írva:
Figyelem : ebben a képletben és a továbbiakban is szerepel egy valós szám, amelyet fizikailag a koordináta "végtelen kicsiny változásaként" értelmezünk , nem pedig differenciálformaként!
Finomítsuk most a "Lorentzi" (pontosabban lokálisan lorentzi) kifejezést, ami azt jelenti, hogy a metrikus tenzornak van (1,3) aláírása , és lokálisan első sorrendben egybeesik a speciális relativitáselmélet Lorentzi metrikájával . Az ekvivalencia elve kimondja, hogy lokálisan inerciális koordinátarendszer választásával lehetőség van a gravitációs mező "törlésére". Matematikai szempontból ez a választás annak a jól ismert tételnek az újrafogalmazása, amely a másodfokú alakok főtengelyekre való redukálásának lehetőségéről szól.
Egy ilyen lokálisan inerciális koordinátarendszerben a pont invariánsa így írható fel:
hol van a Minkowski tér-idő metrika , és ennek a pontnak egy kis szomszédságában
ahol a koordináták ponttól való eltérésében másodrendű kicsinységi minimummal rendelkezik , azaz . Elfogadva a Misner, Thorne és Wheeler jelek konvencióját, van [1] :
Az alábbiakban a következő hagyományos konvenciók használatosak:
Például egy 4 pozíciós vektort egy lokálisan inerciális koordinátarendszerben a következőképpen írunk:
Figyelem : valójában véges, nem végtelenül kicsi koordináta-növekmény nem alkot vektort. Egy vektoruk csak nulla görbületű és triviális topológiájú homogén térben keletkezik.
A sokaság lorentzi jellege így biztosítja, hogy a pszeudo-euklideszi tér minden pontjában az érintők pszeudo - skaláris szorzatokkal rendelkezzenek ("pszeudo-" abban az értelemben, hogy nincs pozitív meghatározottsága a kapcsolódó másodfokú alaknak (négyzetvektor). ) három szigorúan pozitív sajátértékkel (amely a térnek felel meg) és egy szigorúan negatív sajátértékkel (amely az időnek felel meg). Különösen a "megfelelő idő" elemi intervalluma, amely két egymást követő eseményt választ el, mindig:
Általában az affin kapcsolat egy olyan operátor , amely egy érintőceruza vektormezőjét társítja a ceruza endomorfizmusainak mezőjéhez . Ha az érintővektor a pontban , akkor általában jelöljük
Azt mondják , hogy ez a vektor " kovariáns deriváltja " az irányba . Tegyük fel továbbá, hogy ez teljesíti a további feltételt: bármely f függvényre rendelkezünk
A kovariáns derivált a következő két linearitási tulajdonságot teljesíti:
Miután a kovariáns deriváltot definiáltuk vektormezőkre, a Leibniz -szabály segítségével kiterjeszthető tenzormezőkre : ha és bármely két tenzor, akkor definíció szerint:
A tenzormező kovariáns deriváltja a w vektor mentén ismét egy azonos típusú tenzormező.
Bizonyítható, hogy a metrikához tartozó kapcsolat, a Levi-Civita [1] kapcsolat az egyetlen olyan kapcsolat, amely az előző feltételeken túlmenően azt is biztosítja, hogy a TM - ből származó X, Y, Z vektorok bármely mezőjére
Egy vektor kovariáns deriváltja egy vektor, így az összes bázisvektor lineáris kombinációjaként fejezhető ki:
ahol a kovariáns derivált irányú vektorkomponensei vannak (ez a komponens a választott w vektortól függ ).
A kovariáns derivált leírásához elegendő leírni azt minden egyes bázisvektorra az irány mentén . Határozzuk meg ezután a Christoffel szimbólumokat (vagy egyszerűen Christoffel szimbólumokat) 3 index függvényében [4]
A Levi-Civita kapcsolatot teljes mértékben a Christoffel szimbólumok jellemzik. Az általános képlet szerint
V vektorhoz :
Ennek ismeretében a következőket kapjuk:
Ennek a képletnek az első tagja a koordinátarendszer "deformációját" írja le a kovariáns deriválthoz képest, a második pedig - a V vektor koordinátáinak változásait . A buta indexek összegzésekor ezt a relációt átírhatjuk alakba
Ebből kapunk egy fontos képletet az összetevőkre:
A Leibniz-képlet segítségével ugyanúgy kimutatható, hogy:
Ezen komponensek explicit kiszámításához a Christoffel-szimbólumok kifejezéseit a metrikából kell meghatározni. Könnyen beszerezhetők a következő feltételek beírásával:
Ennek a kovariáns deriváltnak a számítása oda vezet
hol vannak az egyenletek által meghatározott „inverz” metrikus tenzor összetevői
A Christoffel-szimbólumok „szimmetrikusak” [5] az alsó indexekhez képest:
Megjegyzés: néha a következő szimbólumokat is meghatározzák:
így érkezett:
Az R Riemann görbületi tenzor egy 4. vegyértéktenzor, amely bármely X, Y, Z vektormezőre van definiálva M - ből .
Összetevői kifejezetten metrikus együtthatókból vannak kifejezve:
Ennek a tenzornak a szimmetriája:
A következő összefüggést is kielégíti:
A Ricci - tenzor a 2. vegyértéktenzor , amelyeta Riemann-féle görbületi tenzor konvolúciója határoz meg
Összetevői kifejezetten Christoffel szimbólumokon keresztül:
Ez a tenzor szimmetrikus: .
A skaláris görbület egy invariáns, amelyet a Ricci-tenzor és a metrika konvolúciója határoz meg.
A gravitációs téregyenleteket, amelyeket Einstein-egyenleteknek nevezünk , a következőképpen írjuk fel
vagy úgy
ahol a kozmológiai állandó , a fény sebessége vákuumban, a gravitációs állandó , amely Newton egyetemes gravitációs törvényében is megjelenik, az Einstein-tenzor és az energia-impulzus tenzor .
Egy szimmetrikus tenzornak csak 10 független komponense van, az Einstein-tenzor egyenlet egy adott koordinátarendszerben ekvivalens egy 10 skaláris egyenletből álló rendszerrel. Ezt a 10 csatolt nemlineáris parciális differenciálegyenletből álló rendszert a legtöbb esetben nagyon nehéz megtanulni.
Az energia-impulzus tenzor valódi 4x4 szimmetrikus mátrixként írható fel:
A következő fizikai mennyiségeket tartalmazza:
az impulzusáramok mátrixa . A folyadékmechanikában az átlós komponensek a nyomásnak, a többi komponens pedig a viszkozitás okozta tangenciális erőknek (feszültségeknek vagy régi szóhasználattal feszültségeknek) felel meg .
Nyugalomban lévő folyadék esetében az energia-impulzus tenzor egy diagonális mátrixra redukálódik , ahol a tömegsűrűség és a hidrosztatikus nyomás.
A gravitáció elméletei | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|