<< 1. Teorema Neter: psevdotenzory ... | Oglavlenie | 1.2 Superpotencial Kaca-Krushciela ... >>
- 1.1.1 Psevdotenzor Einshteina
- 1.1.2 Superpotencial Tolmena
- 1.1.3 Superpotencial Freida
- 1.1.4 Vopros edinstvennosti i procedura Neter
- 1.1.5 Superpotencial Mollera
- 1.1.6 Nekovariantnost' psevdotenzorov i sootvetstvuyushie problemy
- 1.1.7 Kovariantizaciya psevdotenzorov i korrektnye zakony sohraneniya
1.1 Klassicheskie psevdotenzory i superpotencialy: kratkaya istoriya, nekotorye svoistva i problemy
1.1.1 Psevdotenzor Einshteina
Rassmatrivaya problemu energii gravitacionnogo polya i, v chastnosti,
gravitacionnyh voln, Einshtein [1] vpervye dlya postroeniya zakonov
sohraneniya v OTO predlozhil psevdotenzor energii-impul'sa
gravitacionnogo polya. On konstruiruetsya sleduya opredeleniyu
kanonicheskogo tenzora energii-impul'sa v obychnoi polevoi teorii.
Vmesto kovariantnogo lagranzhiana ispol'zuetsya tak nazyvaemyi usechennyi
nekovariantnyi lagranzhian Einshteina:
Eto i est' psevdotenzor Einshteina. Iz analiza lagranzhiana (1.1) sleduet differencial'nyi zakon sohraneniya
kotoryi, sobstvenno, yavlyaetsya uravneniem nepreryvnosti:
gde latinskie indeksy otvechayut prostranstvennym koordinatam k = 1, 2, 3.
1.1.2 Superpotencial Tolmena
Zakon sohraneniya (1.3) vypolnyaetsya pri vypolnennyh
uravneniyah Einshteina v vakuume. Eto oznachaet, chto pri
Obychno superpotencialom nazyvayut velichinu, dvoinaya divergenciya kotoroi tozhdestvenno obrashaetsya v nul'. Superpotencial , sootvetstvuyushii psevdotenzoru Einshteina byl naiden Tolmenom [2] v nachale 30-h i imeet yavnyi vid:
Dlya nevakuumnogo sluchaya tozhdestvo (1.6) perehodit v tozhdestvo
kotoroe pri vypolnennyh uravneniyah Einshteina perehodit v uravnenie
Fakticheski eto drugaya forma uravnenii Einshteina. Iz (1.9) neslozhno videt', chto dlya nevakuumnyh reshenii OTO vmesto (1.3) nuzhno ispol'zovat' differencial'nyi zakon sohraneniya:
1.1.3 Superpotencial Freida
Kak pravilo, v kachestve superpotencialov
ispol'zuyut antisimmetrichnye velichiny, tak chto stanovitsya
ochevidnym tozhdestvennoe ravenstvo nulyu dvoinoi divergencii ot nih.
Superpotencial Tolmena (1.7)
ne obladaet etim svoistvom. V rezul'tate
voznikayut neudobstva pri ispol'zovanii, slozhnosti pri kovariantizacii.
Uluchshit' situaciyu udalos' Freidu [3]. Zarannee predpolagaya antisimmetriyu
superpotenciala
,
sootvetstvuyushego einshteinovskomu psevdotenzoru,
vmesto uravneniya (1.9) on predlozhil
Kazalos' by sushestvuet protivorechie mezhdu (1.9) i (1.11). V deistvitel'nosti ono vidimoe, poskol'ku blagodarya tomu, chto mezhdu superpotencialami sushestvuet svyaz'
1.1.4 Vopros edinstvennosti i procedura Neter
Dazhe imeya v rasporyazhenii vpolne opredelennyi
psevdotenzor my tol'ko chto ubedilis' v neopredelennosti
postroeniya superpotencialov. Rassmotrim problemu edinstvennosti
zakonov sohraneniya, takih kak (1.3) ili (1.10), podrobnee.
Ispol'zuya metriku i ee pervye
proizvodnye postroim proizvol'nym
obrazom velichinu
, potrebuem tol'ko, chtoby ona
udovletvoryala tozhdestvu
.
Zatem opredelim velichinu
gde igraet rol' superpotenciala, a -- novogo psevdotenzora. Vmesto (1.10) differencial'nyi zakon sohraneniya priobretaet, voobshe govorya, sovershenno proizvol'nuyu formu:
Takaya neopredelennost' v zakonah sohraneniya ne mozhet byt'
udovletvoritel'noi. Odnako formula (1.2) ukazyvaet, chto opredelenie
psevdotenzora, v principe, moglo by byt' svyazano s vyborom lagranzhiana.
Issledovanie etoi problemy bylo provedeno detal'no, ei udelili vnimanie takie
avtory kak Bergman [4], Goldberg [5], Moller [6],
Trautman [7], Mickevich [8].
Kratko rezul'taty etih usilii svodyatsya k sleduyushemu.
Nesmotrya na to, chto lagranzhian (1.1) ne yavlyaetsya obshekovariantnym, --
on invarianten otnositel'no lineinyh prebrazovanii.
Eto pozvolyaet dlya translyacii opredelennyh vektorom
napisat' tozhdestvo Neter:
kotoryi pri ispol'zovanii uravnenii Einshteina daet zakon sohraneniya (1.10). Takim obrazom:
- V smysle procedury Neter, einshteinovskii psevdotenzor (1.2) edinstvenno opredelyaetsya einshteinovskim lagranzhianom (1.1).
- Esli lagranzhiany razlichayutsya na divergenciyu: , to oni (hotya i privodyat k odnim i tem zhe uravneniyam dvizheniya) dayut razlichnye psevdotenzory.
1.1.5 Superpotencial Mollera
Takim obrazom, svoboda v vybore psevdotenzora v principe ne ogranichivaetsya -- ona perehodit v svobodu vybora lagranzhiana. To est' tak ili inache, chtoby poluchit' opredelennyi rezul'tat neobhodimo ispol'zovat' dopolnitel'nye ,,razumnye'' trebovaniya pri postroenii psevdotenzorov i superpotencialov. Trebovaniya Mollera [6] pri postroenii ego psevdotenzora i superpotenciala sleduyushie:
- (I) Dlya izolirovannyh sistem 4-impul's vsei sistemy na prostranstvennoi
beskonechnosti
dolzhen preobrazovyvat'sya kak svobodnyi 4-vektor pri lineinyh koordinatnyh preobrazovaniyah. - (II)
dolzhen algebraicheski
zaviset' ot metriki i proizvodnyh ot nee
do vtorogo poryadka.
- (III)
dolzhen byt' antisimmetrichnym
po i i zaviset' ot i tol'ko ee pervyh
proizvodnyh.
- (IV) Komponenty dolzhny preobrazovyvat'sya kak 4-vektornaya plotnost' po otnosheniyu k chisto prostranstvennym preobrazovaniyam:
s yavnoi formoi superpotenciala:
Okazalos', chto psevdotenzor v (1.19) i superpotencial (1.20) sootvetstvuyut (v smysle procedury Neter) kovariantnomu lagranzhianu Gilberta
.
1.1.6 Nekovariantnost' psevdotenzorov i sootvetstvuyushie problemy
Nekovariantnye velichiny v fizike voobshe malo zhelatel'ny. Odnako OTO zanimaet osoboe polozhenie, poskol'ku prostanstvo-vremya (v kotorom proishodyat vzaimodeistviya) samo yavlyaetsya dinamicheskim ob'ektom. V silu principa ekvivalentnosti nevozmozhno postroit' lokal'nuyu plotnost' energii gravitacionnogo polya. V rezul'tate etogo i poyavlyayutsya nekovariantnye psevdotenzory, znacheniya kotoryh v kazhdoi tochke mogut but' obrasheny v nul' koordinatnymi preobrazovaniyami.
Krome togo, chto differencial'nye zakony sohraneniya polezny v lokal'nom smysle (eto uravneniya nepreryvnosti), oni neobhodimy dlya postroeniya tak nazyvaemyh global'nyh zakonov sohraneniya. Esli v differencial'nyh zakonah (takih kak (1.3), (1.4) ili (1.10)) ispol'zovanie psevdotenzorov vyglyadit bolee ili menee estestvenno, to pri postroenii global'nyh zakonov na nekotorye trudnosti prihoditsya zakryvat' glaza. Eto vynuzhdennyi shag pri nalichii psevdotenzorov, on chasto vstrechaetsya v uchebnikah, v chastnosti v zamechatel'nom uchebnike Landau i Lifshica [9]. Seichas my proanaliziruem situaciyu.
Ris.1. |
V prostranstve-vremeni rassmatrivaetsya 4-mernyi ob'em ,
ogranichennyi cilindrom
s prostranstvennopodobnymi secheniyami i ,
i bokovoi vremenipodobnoi stenkoi S (Ris. 1).
Pust' my imeem v rasporyazhenii differencial'nyi zakon sohraneniya dlya nekotorogo
psevdotenzora
:
a zatem ispol'zuetsya obobshennaya teorema Gaussa
gde dlya ispol'zovalos' opredelenie: t = x0 = const. Uravnenie (1.23) kak raz opredelyaet global'nyi (zaklyuchennyi v 3-prostranstve , ogranichennom ili neogranichennom) 4-impul's
Esli poslednii integral v (1.23) ischezaet, to 4-impul's (1.24) sohranyaetsya; esli poslednii integral v (1.23) ne ischezaet, to on opredelyaet potok cherez bokovuyu stenku cilindra i izmenyaetsya v zavisimosti ot etogo.
Kritika (1.21) - (1.24) ochevidna: 1) nel'zya integrirovat' nekovariantnye velichiny, 2) nel'zya integrirovat' velichiny s koordinatnymi indeksami. Odnako, nesmotrya na ubiistvennnost' argumentov situaciya mozhet byt' spasena.
1.1.7 Kovariantizaciya psevdotenzorov i korrektnye zakony sohraneniya
Chtoby kovariantizovat' psevdotenzory nuzhno predstavit', chto sushestvuet vspomogatel'noe prostranstvo Minkovskogo, a vse velichiny zapisany v lorencevyh koordinatah. (Togda pri perehode k proizvol'nym koordinatam chastnye proizvodnye estestvennnym obrazom perehodyat v kovariantnye.) Takim obrazom, nuzhno schitat', chto v nekovariantnyh formulah ,,zapryatana'' metrika Minkovsogo i ee opredelitel' .
Zamechanie: Ispol'zovanie dopolnitel'nogo zadannogo prostranstva-vremeni v teorii, gde ego fakticheski ne sushestvuet, kazhetsya, nedopustimym. Odnako, ochen' mnogie zadachi v OTO, -- kak chisto teoreticheskie, tak i raschety eksperimentov, -- kak raz ispol'zuyut eto predpolozhenie. Sam harakter zadach trebuet ispol'zovaniya fona. Konechno vnutrennyaya soglasovannost' OTO ne narushaetsya -- uravneniya Einshteina ostayutsya uravneniyami Einshteina.
Neobhodimo takzhe izbavit'sya ot integrirovaniya vektornyh velichin. V obychnyh polevyh teoriyah sohranyayushiesya integraly sootvetstvuyut simmetriyam prostranstve-vremeni, v kotorom eti teorii rassmatrivayutsya. Davaite i teper' ispol'zovat' vektory translyacii Killinga uzhe vvedennogo vspomogatel'nogo prostranstva Minkovskogo, gde nizhnii indeks est' lish' nomer vektora Killinga, eto ne koordinatnyi indeks.
Posle etih predpolozhenii (1.21) perepisyvaetsya v ekvivalentnoi forme:
gde sleva, ochevidno, skalyarnaya plotnost', kotoraya bez problem integriruetsya po 4-ob'emu:
chto privodit k korrektnomu opredeleniyu 4-impul'sa na sechenii :
Analiziruya poslednie tri formuly, mozhno sdelat' vyvod, chto
sam psevdotenzor igraet lish' vspomogatel'nuyu rol'.
Na samom dele ,,differencial'no'' sohranyaetsya
vektornaya plotnost' (tok):
<< 1. Teorema Neter: psevdotenzory ... | Oglavlenie | 1.2 Superpotencial Kaca-Krushciela ... >>
Publikacii s klyuchevymi slovami:
zakony sohraneniya - Obshaya teoriya otnositel'nosti - gravitaciya
Publikacii so slovami: zakony sohraneniya - Obshaya teoriya otnositel'nosti - gravitaciya | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |