Математическая формулировка ОТО

Математическая формулировка ОТО

В этой статье рассматривается математический базис общей теории относительности.


Общая теория относительности
G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8\pi G\over c^4} T_{\mu \nu}\,
Математическая формулировка ОТО
Космология


Содержание

Исходные положения

Наше интуитивное восприятие указывает нам, что пространство-время является регулярным и непрерывным, то есть не имеет «дыр». Математически эти свойства обозначают, что пространство-время будет моделироваться гладким дифференцируемым многообразием 4 измерений M4, то есть пространством размерности 4, для которого окрестность каждой точки походит локально на четырёхмерное псевдоевклидово пространство. Гладкость здесь означает достаточную дифференцируемость, пока без уточнения её степени.

Геометрия пространства-времени

NB Эта статья следует классическим соглашениям знаков Мизнера, Торна и Уилера[1]

В этой статье принимается также соглашение Эйнштейна для суммирования по повторяющимся индексам.

Метрический тензор

Дифференцируемое многообразие [2] M, снабжённое лоренцевым метрическим тензором g, и представляет собой таким образом Лоренцево многообразие, которое составляет частный случай псевдориманова многообразия (определение «лоренцев» будет уточнено дальше в тексте; см. ниже раздел "Лоренцева метрика").

Возьмём какую-нибудь систему координат xμ в окрестности точки P, и пусть {\mathbf e}_{\mu}(x) — локальный базис в касательном пространстве TxM к многообразию M в точке x\in M . Касательный вектор  \mathbf w \in T_xM запишется тогда как линейная комбинация базисных векторов:

 \mathbf{w} \ = \ w^{\mu} \  \mathbf{e}_{\mu}.

При этом величины  \ w^{\mu} называются контравариантными компонентами вектора w. Метрический тензор  \mathbf g тогда — симметричная билинейная форма:

\mathbf g \ = \ g_{\mu\nu}(x)\ dx^{\mu}\ \otimes \ dx^{\nu},

где через dxμ обозначен дуальный по отношению к {\mathbf e}_{\mu}(x) базис в кокасательном пространстве T_x^*M, то есть такие линейные формы на TxM, что:

 dx^{\nu} ({\mathbf e}_{\mu}) \ =\ \delta_{\mu}^{\nu}.

Далее будем предполагать, что компоненты gμν(x) метрического тензора меняются в пространстве-времени непрерывно[3].

Метрический тензор, таким образом, может быть представлен действительной симметричной матрицей 4x4:

 g_{\mu\nu} \ = \ g_{\nu\mu}.

Вообще любая действительная матрица 4x4 имеет априори 4 x 4 = 16 независимых элементов. Условие симметрии уменьшает это число до 10: на самом деле, остаётся 4 диагональных элемента, к которым надо добавить (16 — 4)/2 = 6 недиагональных элементов. Тензор gμν обладает, таким образом, только 10 независимыми компонентами.

Скалярное произведение

Метрический тензор определяет для каждой точки  x \in M многообразия псевдо-скалярное произведение («псевдо-» в том смысле, что отсутствует положительная определённость ассоциированной квадратичной формы (квадрата вектора); см. Лоренцева метрика) в касательном к многообразию M в точке x псевдоевклидовом пространстве TxM. Если \mathbf u и \mathbf v — два вектора TxM, их скалярное произведение запишется как:

\mathbf u \cdot \mathbf v \ = \ \mathbf g (\mathbf u, \mathbf v) \ = \ g_{\mu \nu} \ u^{\mu} \ v^{\nu}

В частности, взяв два базисных вектора, получаем компоненты:

g_{\mu \nu} \ = \ \mathbf g ({\mathbf e}_{\mu}, {\mathbf e}_{\nu}) \ = \ {\mathbf e}_{\mu} \cdot {\mathbf e}_{\nu}

Замечание: если величины wμ обозначают контравариантные компоненты вектора w, то можно определить также его ковариантные компоненты как:

 w_{\mu} \ = \ \mathbf w \ \cdot \mathbf e_{\mu}.

Элементарное расстояние — интервал

Рассмотрим вектор элементарного перемещения  d\mathbf P \ = \ \epsilon^{\mu} \mathbf e_{\mu} между точкой P и бесконечно близкой точкой:  | \epsilon^{\mu} | \ll 1 . Инвариантной инфинитезимальной нормой этого вектора будет действительное число, обозначаемое ds2, называемое квадратом интервала, и равное:

 ds^2 \ = \ g_{\mu\nu}(x)\ \epsilon^{\mu} \ \epsilon^{\nu}.

Если обозначить компоненты вектора элементарного перемещения «по-физически» εμ = dxμ, инфинитезимальный квадрат длины (интервала) запишется формально как:

ds^2 \ = \ g_{\mu\nu}(x) \ dx^{\mu} \ dx^{\nu}

Внимание: в этой формуле, а также и далее, dxμ представляет собой действительное число, которое интерпретируется физически как «инфинитезимальное изменение» координаты xμ, а не как дифференциальная форма!

Лоренцева метрика

Уточним теперь выражение «лоренцева» (точнее локально лоренцева), которое означает, что метрический тензор имеет сигнатуру (1,3) и локально совпадает в первом порядке с лоренцевой метрикой специальной теории относительности. Принцип эквивалентности утверждает, что можно «стереть» локально поле гравитации, выбирая локально инерциальную систему координат. С математической точки зрения такой выбор является переформулировкой известной теоремы о возможности приведения квадратичной формы к главным осям.

В такой локально инерциальной системе координат Xα в малой окрестности точки P, инвариант ds2 запишется как:

ds^2 \ = \ (\eta_{\alpha \beta}+\delta_{\alpha \beta}) \ dX^{\alpha} \ d X^{\beta} \ = \ - \ c^2 \, dT^2 \, + \,  dX^2 \, + \, dY^2 \, + \, dZ^2,

где ηαβ является метрикой пространства-времени Минковского, а δαβ имеет второй порядок малости по координатам Xα. Принимая соглашение знаков Мизнера, Торна и Уилера, имеем [1]:

\eta_{\alpha \beta} \ = \ \mathrm{diag} \ ( -1, \, +1, \, +1, \, +1 \, )


Далее используются следующие обычные соглашения:

  • греческие индексы меняются от 0 до 3. Они соответствуют величинам в пространстве-времени.
  • латинские индексы меняются от 1 до 3. Они соответствуют пространственным составляющим величин в пространстве-времени.

Например, 4-вектор положения запишется в локально инерциальной системе координат как:

 X^{\alpha} \ = \  \left( \begin{matrix} X^{0} \\ X^{i} \end{matrix} \right) \ = \  \left( \begin{matrix} X^{0} \\ X^{1} \\ X^{2} \\                   X^{3} \end{matrix} \right) \ = \  \left( \begin{matrix}                   c \, T \\ X \\ Y \\ Z  \end{matrix} \right).

Внимание: на самом деле конечные, а не инфинитезимальные приращения координат не образуют вектора. Вектор из них возникает лишь в однородном пространстве нулевой кривизны и тривиальной топологии.

Лоренцев характер многообразия M обеспечивает, таким образом, то, что касательные к M в каждой точке псевдоевклидова пространства будут обладать псевдоскалярными произведениями («псевдо-» в том смысле, что отсутствует положительная определённость ассоциированной квадратичной формы (квадрата вектора)) с тремя строго положительными собственными значениями (соответствующими пространству) и одним строго отрицательным собственным значением (соответствующим времени). В частности, элементарный интервал «собственного времени», отделяющий два последовательных события, всегда:

 d \tau^2 \ = \ - \frac{ds^2}{c^2} \ > \ 0.

Общие понятия аффинной связности и ковариантной производной

Обобщенно, аффинной связностью называется оператор  \nabla , который приводит в соответствие векторному полю  \mathbf V из касательного пучка TM поле эндоморфизмов  \nabla \mathbf V этого пучка. Если  {\mathbf w} \in T_xM — касательный вектор в точке  x \in M , обычно обозначают

 \nabla_{\mathbf w} \ \mathbf V(x) \ = \ \nabla \mathbf V(x,\mathbf w).

Говорят, что  \nabla_{\mathbf w} \mathbf V является «ковариантной производной» вектора \mathbf V в направлении  {\mathbf w} . Предположим к тому же, что  \nabla \mathbf V удовлетворяет дополнительному условию: для любой функции f справедливо

\nabla_{\mathbf w} (f \mathbf V) \ = \ f \ \nabla_{\mathbf w} \mathbf V \ + \ df(\mathbf w) \ \mathbf V

Ковариантная производная удовлетворяет следующим двум свойствам линейности:

  • линейность по w, то есть, какими бы ни были поля векторов w и u и действительные числа a и b, мы имеем:
\nabla_{(a \mathbf w + b \mathbf u)} \mathbf V \ = \ a \ \nabla_{\mathbf w} \mathbf V \ + \ b \ \nabla_{\mathbf u} \mathbf V.
  • линейность по V, то есть, какими бы ни были поля векторов X и действительные числа a и b, мы имеем:
\nabla_{\mathbf w} (a\mathbf X + b\mathbf Y) \ = \ a \ \nabla_{\mathbf w} \mathbf X \ + b \ \nabla_{\mathbf w} \mathbf Y.

Как только ковариантная производная определена для полей векторов, она может быть распространена на тензорные поля с использованием правила Лейбница: если  \mathbf T и  \mathbf S — два любых тензора, то по определению:

\nabla_{\mathbf w}(\mathbf T \otimes \mathbf S) \ = \ (\nabla_{\mathbf w} \mathbf T )\otimes \mathbf S \ + \ \mathbf T \otimes(\nabla_{\mathbf w} \mathbf S)

Ковариантная производная поля тензора вдоль вектора w есть снова поле тензора того же типа.

Связность, ассоциированная с метрикой

Можно доказать, что связность, ассоциированная с метрикой — связность Леви-Чивиты [1], является единственной связностью, помимо предыдущих условий дополнительно обеспечивающей то, что для любых полей векторов X, Y, Z из TM

  • \nabla_{\mathbf X}(\mathbf g(\mathbf Y,\mathbf Z)) \ = \ \mathbf g(\nabla_{\mathbf X} \mathbf Y,\mathbf Z) \ + \ \mathbf g(\mathbf Y,\nabla_{\mathbf X} \mathbf Z) (метричность — тензор неметричности равен нулю).
  • \nabla_{\mathbf X} \mathbf Y \ - \ \nabla_{\mathbf Y} \mathbf X \ = \ [\mathbf X, \mathbf Y], где [\mathbf X,\mathbf Y] — коммутатор Ли от X и Y (отсутствие кручения — тензор кручения равен нулю).

Описание в координатах

Ковариантная производная вектора есть вектор, и, таким образом, она может быть выражена как линейная комбинация всех базисных векторов:

\nabla_{\mathbf w} V \ = \ \left[ \, \nabla_{\mathbf w} V \, \right]^\rho \ \mathbf e_\rho \ = \ \Gamma^\rho \ \mathbf e_\rho,

где Γρ представляют собой компоненты вектора ковариантной производной в направлении  \mathbf e_\rho (эта составляющая зависит от выбранного вектора w).

Чтобы описать ковариантную производную, достаточно описать её для каждого из базисных векторов  \mathbf e_\nu вдоль направления  \mathbf e_\mu . Определим тогда символы Кристоффеля (или просто кристоффели) Γρμν, зависящие от 3 индексов [4]

 \nabla_{\mu} {\mathbf e}_{\nu} \ = \ \nabla_{{\mathbf e}_{\mu}} {\mathbf e}_{\nu} \ = \ \Gamma^\rho {}_{\mu \nu} \ {\mathbf e}_\rho

Связность Леви-Чивита полностью характеризуется своими символами Кристоффеля. Согласно общей формуле

\nabla_{\mathbf w} (f \mathbf V) \ = \ f \ \nabla_{\mathbf w} \mathbf V \ + \ df(\mathbf w) \ \mathbf V

для вектора V:

\nabla_{\mu} \mathbf V \ = \ \nabla_{\mu} (V^\nu \mathbf e_\nu) \ = \ V^\nu \ (\nabla_{\mu} \mathbf e_\nu ) \ + \ dV^\nu(\mathbf e_\mu) \ \mathbf e_\nu.

Зная, что  dV^\nu (\mathbf e_\mu) = \partial_\mu V^\nu , получаем:

\nabla_{\mu} \mathbf V \ = \ V^\nu \ \Gamma^\rho {}_{\mu \nu} \ {\mathbf e}_\rho \ + \ \partial_\mu V^\nu \ \mathbf e_\nu

Первый член этой формулы описывает «деформацию» системы координат по отношению к ковариантной производной, а второй — изменения координат вектора V. При суммировании по немым индексам мы можем переписать это соотношение в форме

\nabla_{\mu} \mathbf V \ = \ \left[ \, V^\rho \ \Gamma^\nu {}_{\mu \rho}  \ + \ \partial_\mu V^\nu \, \right] \ \mathbf e_\nu

Из этого получаем важную формулу для компонент:

\nabla_{\mu}  \mathbf{V}^{\nu} \ = \ \left[ \,  \nabla_{\mu}  \mathbf{V} \, \right]^{\nu} \ = \ \partial_{\mu} V^{\nu} \ + \ \Gamma_{~ \mu \rho}^{\nu} \ V^{\rho}

Используя формулу Лейбница, таким же образом можно продемонстрировать, что:

 \nabla_{\mu}  \mathbf{V}_{\nu} \ = \ \partial_{\mu} V_{\nu} \ - \ \Gamma_{~ \mu \nu}^{\rho} \ V_{\rho}.

Чтобы вычислить эти составляющие в явной форме, выражения для символов Кристоффеля должны быть определены, исходя из метрики. Их легко получить, написав следующие условия:

 \nabla_{\mu} \ \mathbf{g}_{\nu \rho} \ = \ 0.

Расчёт этой ковариантной производной приводит к

\Gamma^\mu {}_{\rho \sigma} \ = \ \frac{1}{2} \ g^{\mu \nu} \ \left(\partial_\sigma g_{\nu \rho } \ + \ \partial_\rho  g_{\nu \sigma} \ - \ \partial_\nu g_{\rho \sigma} \right),

где g^{\mu \nu}\ — компоненты «обратного» метрического тензора, определенные уравнениями

g^{\mu \nu} \ g_{\nu \rho} \ = \ \delta^\mu{}_\rho

Символы Кристоффеля «симметричны»[5] по отношению к нижним индексам: \Gamma^\mu {}_{\rho \sigma}=\Gamma^\mu {}_{\sigma \rho}.\

Замечание: иногда определяются также следующие символы:

\Gamma_{\nu \rho \sigma} \ = \ \frac{1}{2} \ \left(\partial_\sigma g_{\nu \rho } \ + \ \partial_\rho  g_{\nu \sigma} \ - \ \partial_\nu g_{\rho \sigma} \right)

получаемые как:

\Gamma^\mu {}_{\rho \sigma} \ = \  g^{\mu \nu} \ \Gamma_{\nu \rho \sigma}

Тензор кривизны Римана

Тензор кривизны Римана R — тензор 4-ой валентности, определёный для любых векторных полей X, Y, Z из M как

\mathbf R(\mathbf X,\mathbf Y)\mathbf Z \ = \ \nabla_{\mathbf X} \, (\nabla_{\mathbf Y} \mathbf Z)  \ - \ \nabla_{\mathbf Y} \, (\nabla_{\mathbf X} \mathbf Z) \ - \ \nabla_{[\mathbf X,\mathbf Y]} \mathbf Z\; .

Его компоненты в явной форме выражаются из метрических коэффициентов:

 R_{ \mu \nu \rho \sigma } \ = \ \frac{1}{2}\left( \partial^2_{ \nu \rho } g_{ \mu \sigma } \ + \ \partial^2_{ \mu \sigma } g_{ \nu \rho } \ - \ \partial^2_{ \nu  \sigma } g_{ \mu \rho } \ - \ \partial^2_{ \mu \rho } g_{ \nu \sigma } \right) \ +
 + \ g_{ \lambda \tau } \left( \Gamma^\lambda {}_{ \nu  \rho } \Gamma^\tau {}_{ \mu \sigma } \ -  \ \Gamma^\lambda {}_{ \nu \sigma } \Gamma^\tau {}_{ \mu \rho } \right)\;.

Симметрии этого тензора:

R_{ \mu \nu \rho \sigma }  \ = \ R_{ \rho \sigma \mu \nu }\;,
R_{ \mu \nu \rho \sigma } \ = \ - \ R_{ \nu \mu \rho \sigma } \ = \ - \ R_{\mu \nu \sigma \rho }\;.

Он удовлетворяет также следующему соотношению:

R_{ \mu \nu \rho \sigma } \ + \ R_{ \mu \sigma \nu \rho } \ + \ R_{ \mu \rho \sigma \nu } \ = \ 0.

Тензор кривизны Риччи

Тензор Риччи — тензор валентности 2, определенный свёрткой тензора кривизны Римана

R_{\mu \nu} \ = \ g^{\rho \sigma} \ R_{\rho \mu \sigma \nu} \ = \ R^\sigma_{~ \mu \sigma \nu} \; .

Его компоненты в явном виде через символы Кристоффеля:

R_{\mu \nu} \ = \ \partial_{\rho} \Gamma^{\rho} {}_{\mu \nu} \ - \ \partial_{\nu} \Gamma^{\rho} {}_{\mu \rho} \ + \ \Gamma^{\rho} {}_{\mu \nu} \Gamma^{\sigma} {}_{\rho \sigma} \ - \ \Gamma^{\sigma} {}_{\mu \rho}\Gamma^{\rho} {}_{\nu \sigma} \; .

Этот тензор симметричен:  R_{\mu\nu} \ = \ R_{\nu \mu} \ .

Скалярная кривизна

Скалярная кривизна является инвариантом, определяемым свёрткой тензора Риччи с метрикой

R \ = \ g^{\mu \nu} \ R_{\mu \nu} \ = \ R^\nu_{~ \nu}.

Уравнения Эйнштейна

Уравнения гравитационного поля, которые называются уравнениями Эйнштейна, записываются так

 R_{\mu \nu} \ - \ \frac{1}{2} \, g_{\mu \nu} \, R  \ - \ \Lambda \ g_{\mu \nu} \ = \ \frac{8 \pi G}{c^4} \ T_{\mu \nu},

где Λ — космологическая константа, c — скорость света в вакууме, G — гравитационная постоянная, которая появляется также в законе всемирного тяготения Ньютона, а Tμν — тензор энергии-импульса.

Симметричный тензор gμν имеет только 10 независимых составляющих, тензорное уравнение Эйнштейна эквивалентно системе 10 независимых скалярных уравнений. Эта система 10 связанных нелинейных уравнений в частных производных в большинстве случаев очень трудна для изучения.

Тензор энергии-импульса

Тензор энергии-импульса может быть записан в виде действительной симметричной матрицы 4x4:

 T_{\mu \nu} \ = \  \left( \begin{matrix}
                    T_{00} & T_{01} & T_{02} & T_{03} \\
                    T_{10} & T_{11} & T_{12} & T_{13} \\
                    T_{20} & T_{21} & T_{22} & T_{23} \\
                    T_{30} & T_{31} & T_{32} & T_{33} 
       \end{matrix} \right).

В нём обнаруживаются следующие физические величины:

  • T00 — объёмная плотность энергии. Она должна быть положительной.
  • T10, T20, T30 — плотности компонент импульса.
  • T01, T02, T03 — компоненты потока энергии.
  • Под-матрица 3 x 3 из чисто пространственных компонент:
 T_{ik} \ = \ \left( \begin{matrix}
                    T_{11} & T_{12} & T_{13} \\
                    T_{21} & T_{22} & T_{23} \\
                    T_{31} & T_{32} & T_{33} 
       \end{matrix} \right)

— матрица потоков импульсов. В механике жидкости диагональные компоненты соответствуют давлению, а прочие составляющие — тангенциальным усилиям (напряжениям или в старой терминологии — натяжениям), вызванным вязкостью.

Для жидкости в покое тензор энергии-импульса сводится к диагональной матрице ~{\rm{diag}}({{\rho}c^2},~p,~p,~p), где ~{\rho} есть плотность массы, а ~p — гидростатическое давление.

Примечания

  1. ↑ 1 2 C. W. Misner, Kip S. Thorne & John A. Wheeler ; Gravitation, Freeman & Co. (San Francisco-1973), ISBN 0-7167-0344-0. или Ч. МИЗНЕР, К. ТОРН, Дж. УИЛЕР. ГРАВИТАЦИЯ. том I—III. М. Мир, 1977.
  2. ↑ Далее мы везде не пишем индекс 4, уточняющий размерность многообразия «M».
  3. ↑ Более точно, они должны быть по крайней мере класса C2.
  4. ↑ Внимание, символы Кристоффеля не являются тензорами.
  5. ↑ Слово «симметричны» взято в кавычки, так как эти индексы в силу своего происхождения — не тензорные.
Теории гравитации
Классическая теория тяготения Ньютона Общая теория относительности Квантовая гравитация Альтернативные

Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Поможем решить контрольную работу

Полезное


Смотреть что такое "Математическая формулировка ОТО" в других словарях:

  • Математическая формулировка общей теории относительности — В этой статье рассматривается математический базис общей теории относительности.     Общая теория относительности …   Википедия

  • ОТО — Альберт Эйнштейн  автор общей теории относительности (1921 год) Общая теория относительности …   Википедия

  • Источники по ОТО — Общая теория относительности Введение в ОТО Математическая формулировка ОТО Космология Фундаментальные идеи Специальная тео …   Википедия

  • Математические основы общей теории относительности — В этой статье рассматривается математический базис общей теории относительности. Общая теория относительности Математическая формулировка ОТО Космология Фундаментальные идеи …   Википедия

  • Уравнение Эйнштейна — Общая теория относительности Математическая формулировка ОТО Космология Фундаментальные идеи Специальная теория относительности …   Википедия

  • Принцип эквивалентности — Общая теория относительности Математическая формулировка ОТО Космология Фундаментальные идеи Специальная теория относительности …   Википедия

  • Принцип эквивалентности Эйнштейна — Общая теория относительности Математическая формулировка ОТО Космология Фундаментальные идеи Специальная теория относительности …   Википедия

  • Квантовая чёрная дыра — Общая теория относительности Математическая формулировка ОТО Космология Фундаментальные идеи Специальная теория относительности …   Википедия

  • Квантовые черные дыры — Общая теория относительности Математическая формулировка ОТО Космология Фундаментальные идеи Специальная теория относительности …   Википедия

  • Квантовые чёрные дыры — Общая теория относительности Математическая формулировка ОТО Космология Фундаментальные идеи Специальная теория относительности …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
… Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»