Az általános relativitáselmélet matematikai megfogalmazása

Ez a cikk az általános relativitáselmélet matematikai alapjait tárgyalja .

Kiinduló pozíciók

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.

A téridő geometriája

Megjegyzés: Ez a cikk Misner, Thorne és Wheeler klasszikus jelkonvencióit követi [1]

Ez a cikk az ismétlődő indexek összegzésére vonatkozó Einstein-egyezményt is elfogadja .

Metrikus tenzor

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.

Pontos termék

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:

Elemi távolság - intervallum

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!

Lorentz metrika

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:

Az affin kapcsolat és a kovariáns derivált általános fogalmai

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.

A metrikához társított kapcsolat

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

Leírás koordinátákban

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:

Riemann görbületi tenzor

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:

Ricci görbületi tenzor

A Ricci -  tenzor a 2. vegyértéktenzor , amelyeta Riemann-féle görbületi tenzor konvolúciója határoz meg

Összetevői kifejezetten Christoffel szimbólumokon keresztül:

Ez a tenzor szimmetrikus: .

Skaláris görbület

A skaláris görbület egy invariáns, amelyet a Ricci-tenzor és a metrika konvolúciója határoz meg.

Einstein-egyenletek

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

Az energia-impulzus tenzor valódi 4x4 szimmetrikus mátrixként írható fel:

A következő fizikai mennyiségeket tartalmazza:

  • T 00  - térfogati energiasűrűség . Pozitívnak kell lennie .
  • T 10 , T 20 , T 30  az impulzuskomponensek sűrűsége .
  • T 01 , T 02 , T 03  az energiaáramlás összetevői .
  • 3 x 3 almátrix tisztán térbeli összetevőkből:

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.

Jegyzetek

  1. 1 2 C. W. Misner, Kip S. Thorne és John A. Wheeler ; Gravitation , Freeman & Co. (San Francisco-1973), ISBN 0-7167-0344-0 . vagy C. MIZNER, C. THORNE, J. WHEELER. GRAVITÁCIÓ. kötet I-III. M. Mir, 1977.
  2. A következőkben nem írjuk mindenhova a 4-es indexet, amely az "M" sokaság dimenzióját adja meg.
  3. Pontosabban, legalább C² osztályúnak kell lenniük.
  4. Figyelem, a Christoffel szimbólumok nem tenzorok.
  5. A "szimmetrikus" szó idézőjelben van, mivel ezek az indexek eredetüknél fogva nem tenzorosak.