<< 6. Analiz v neevklidovoi | Oglavlenie | 8. Uravnenie dvizheniya v >>
- 7.1 Tenzor krivizny
- 7.2 Parallel'nyi perenos vektora po zamknutoi krivoi
- 7.3 Svoistva tenzora krivizny
- 7.4 Variacii tenzora krivizny
7. Tenzor krivizny
Neevklidova geometriya polnost'yu harakterizuetsya metricheskim tenzorom. Odnako pomimo etogo tenzora sushestvuet eshe neskol'ko vazhnyh tenzorov, kotorye tozhe ispol'zuyutsya dlya harakteristiki vazhnyh sootnoshenii neevklidovoi geometrii. Samoi vazhnoi velichinoi posle metricheskogo tenzora yavlyaetsya tenzor krivizny ili, kak dlya kratkosti govoryat relyativisty, krivizna. Tenzor krivizny mozhno vvodit' neskol'kimi putyami. My obsudim zdes' dva sposoba opredeleniya tenzora krivizny. Pervyi sposob - cherez vtorye kovariantnye proizvodnye ot vektora, vtoroi sposob bolee tradicionnyi - posredstvom sravneniya kovariantnogo perenosa vektora po dvum putyam, obrazuyushim zamknutuyu krivuyu.
7.1 Tenzor krivizny
7.1.1 Vtorye kovariantnye proizvodnye
Pust' v nashem prostranstve zadano vektornoe pole . Rassmotrim pervye proizvodnye etogo vektornogo polya i vtorye proizvodnye polya . Poskol'ku bol'shinstvo uravnenii matematicheskoi fiziki - uravneniya soderzhashie vtorye proizvodnye ot fizicheskoi velichiny, to pri obobshenii uravnenii opisyvayushih kakoe - libo pole, naprimer, elektromagnitnoe, nam pridetsya vyvodit' uravneniya, kotorye soderzhat vtorye proizvodnye ot polei po koordinatam. V evklidovoi geometrii poryadok proizvodnyh byl nevazhen, proizvodnye obladali svoistvom kommutacii. V neevklidovoi geometrii eto svoistvo, voobshe govorya, teryaetsya.
Rassmotrim kovariantnye proizvodnye vtorogo poryadka. Takuyu proizvodnuyu mozhno
zapisat' kak
v etoi formule, kak i prezhde, tochka s zapyatoi pered indeksom oznachayut kovariantnoe differencirovanie po koordinate imenuemoi etim indeksom, zapyataya - chastnuyu proizvodnuyu po koordinate s odnoimennym indeksom.
Teper' vypishem raznost' kovariantnyh proizvodnyh menyaya indeksy po kotorym vedetsya differencirovanie.
Proanaliziruem poluchennoe uravnenie. Prezhde vsego obratim vnimanie, chto v levoi chasti uravneniya pervaya strochka, kotoraya soderzhit antikommutator ot chastnym proizvodnyh obrashaetsya v nol'. Takim obrazom antikommutator kovariantnyh proizvodnyh ponizhaet poryadok differencirovaniya. Vtoraya strochka soderzhit pervye chastnye proizvodnye ot vektornogo polya. Zametim, chto pervyi i pyatyi chleny vzaimno sokrashayutsya, takzhe sokrashayutsya poocheredno vtoroi i chetvertyi, a takzhe tretii i shestoi chleny. Takim obrazom antikommutator kovariantnyh proizvodnyh vtorogo poryadka ne soderzhit chastnyh proizvodnyh voobshe. Odnako, uravnenie (7.2) ne obrashaetsya v nol' tozhdestvenno.
Tret'ya strochka poluchennogo uravneniya, kotoraya soderzhit proizvedeniya chastnyh
proizvodnyh ot simvola Kristoffelya na vektornoe pole ne obrashetsya v nol'
tozhdestvenno. V poslednei strochke vzaimno sokrashayutsya vtoroi i chetvertyi
chleny, no pervyi i tretii chleny ne sokrashayutsya. Takim obrazom, poluchaetsya,
chto antikommutator kovariantnyh proizvodnyh vtorogo poryadka raven
proizvedeniyu samogo vektornogo polya na velichinu soderzhashuyu chetyre indeksa:
Teper' legko dokazat', chto velichina
yavlyaetsya tenzorom. Deistvitel'no, sdelaem preobrazovanie koordinat iz odnoi
sistemy (skazhem,
) v druguyu
. Sleva v uravnenii (7.3) stoit tenzornaya
velichina tret'ego ranga (napomnim, chto pervaya kovariantnaya proizvodnaya ot
vektora yavlyaetsya tenzorom vtorogo ranga, sootvetstvenno vtoraya kovariantnaya
proizvodnaya ot vektora yavlyaetsya tenzorom tret'ego ranga). Sprava v etom
uravnenii - proizvedenie vektora na velichinu s chetyr'mya indeksami.
Sravnivaya zavisimost' v dvuh sistemah koordinat poluchaem zakon
preobrazovaniya dlya
v vide:
Eto dokazyvaet, chto velichina yavlyaetsya tenzorom chetvertogo ranga.
Etot tenzor nazyvaetsya tenzorom krivizny ili tenzorom
Rimana7.1. Ego mozhno zapisat' v vide uravneniya v chastnyh
proizvodnyh simvolov Kristoffelya i binarnyh proizvedenii simvolov.
Zdes' znaki v opredelenii tenzora krivizny vybrany tak, chtoby tenzor sovpadal s opredeleniem prinyatym v [8]. Nekotorye avtory opredelyayut tenzor Rimana s protivopolozhnym znakom.
7.2 Parallel'nyi perenos vektora po zamknutoi krivoi
V etoi chasti my rassmotrim vtoroi, tradicionnyi vyvod tenzora krivizny. V klassicheskih knigah, posvyashennyh neevklidovoi geometrii i obshei teorii otnositel'nosti, tenzor krivizny poyavlyaetsya pri obsuzhdenii parallel'nogo perenosa vektora po zamknutoi krivoi (sm. naprimer, [8], [10]).
Itak, rassmotrim parallel'nyi perenos vektora vdol' zamknutoi krivoi. Dlya poyasneniya vykladok vnachale vyberem dvumernuyu poverhnost' sfery, a v kachestve vektora edinichnyi vektor kasatel'nyi k traektorii perenosa v nachal'noi tochke. Krivuyu narisuem na poverhnosti sfery i budem schitat', chto eta krivaya - parallel' ili liniya shiroty.
7.2.1 Parallel'nyi perenos vektora po linii shiroty na sfere
Metriku v koordinatah
mozhno zapisat' kak (5.9):
a metricheskii tenzor budet imet' vid
Krome togo, vypishem vnov' takzhe komponenty simvola Kristoffelya na
poverhnosti edinichnoi sfery:
Vektor perenositsya vdol' shiroty na sfere parallel'no. Eto znachit, chto
kovariantnaya proizvodnaya etogo vektora vdol' vybrannoi krivoi ravna nulyu.
Poetomu formal'no uslovie parallel'nogo pernosa zapisyvaetsya kak:
Teper' napishem eto formal'noe uslovie bolee detal'no:
Pust' na paralleli, kotoraya harakterizuetsya odnim parametrom - koordinatoi
, zadan vektor edinichnoi dliny:
Vektor perenositsya vdol' shiroty, a eto znachit, chto izmenenie koordinaty
otsutstvuet, . Uravneniya (7.5)
prinimayut vid:
Vnachale rassmotrim vspomogatel'nyi primer. Sdvinem vektor vdol'
shiroty na rasstoyanie
. Ego komponenty izmenyatsya. Poyavitsya
komponenta napravlennaya vdol' pervoi osi:
a komponenta vdol' vtoroi osi ostanetsya neizmennoi (s tochnost'yu do malyh
velichin vtorogo poryadka):
Teper' vidno, chto vektor povernulsya ( poskol'ku poyavilas' komponenta vdol'
pervoi osi). Ugol mezhdu parallel'no perenesennym vektorom i vektorom,
kasatel'nym k shirote est':
Rassmotrim teper' matematicheskie operacii bolee podrobno i reshim uravneniya
parallel'nogo perenosa vektora dlya vychisleniya ego komponent posle
pereneseniya na konechnoe rasstoyanie vdol' shiroty. Uravneniya
(7.8) stanovyatsya:
Teper' uravneniya opisyvayushie parallel'nyi perenos vektora - eto dva
obyknovennyh differencial'nyh uravneniya. Prodifferenciruem vtoroe iz
uravnenii (7.10) po peremennoi i podstavim ego v
pervoe. Poluchim odno uravnenie vtorogo poryadka:
Ego reshenie - eto reshenie uravneniya kolebanii, kogda chastota kolebanii
ravna . Eto reshenie imeet vid:
Estestvenno, chto reshenie zavisit ot dvuh postoyannyh velichin i .
Sootvetstvenno reshenie dlya pervoi komponenty vektora poluchaetsya differencirovaniem po i umnozheniem na :
Naidem teper' postoyannye i . V tochke komponenty
vektora est' ,
. Podstavim eti
usloviya v naidennye resheniya dlya komponent i poluchim, chto
, a . Poetomu resheniya dlya komponent
vektora imeyut vid:
Naidem ugol mezhdu vektorom i edinichnym vektorom, kasatel'nym k
linii shiroty
. Etot ugol budet
opredelyat'sya uravneniem:
Proekciya vektora na vektor umen'shaetsya po mere perenosa
vdol' shiroty. V to zhe vremya proekciya vektora na edinichnyi
vektor vdol' meridiana, nazovem ego
rastet:
Vektor, kasatel'nyi k linii meridiana napravlen ot polyusa. Posmotrim na sferu so storony severnogo polyusa. Pust' perenos osushestvlyaetsya v napravlenii protiv chasovoi strelki. Togda povorot vektora proishodit po chasovoi strelke.
Rassmotrim bolee podrobno perenos vektora po shirote raspolozhennoi blizko k polyusu. Budem schitat', chto , i budem prenebregat' chlenami kvadratichnymi po shirote. Togda . Rassmotrim znacheniya komponent v tochke . Pri etom vidno, chto komponenta, napravlennaya vdol' obrashaetsya v nol', a komponenta, napravlennaya vdol' vektora stanovit'sya pochti edinichnoi. Pri perenose vdol' shiroty znachitel'no otstoyashei ot polyusa, komponenta vdol' obrashaetsya v nol' pri znachenii ugla .
Pri dal'neishem perenose ugol mezhdu i prodolzhaet rasti.
Posle polnogo perenosa vektora i vozvrasheniya ego v tochku ugol mezhdu perenesennym vektorom i vektorom est':
Otmetim takzhe, chto ugol mezhdu ishodnym polozheniem vektora i ego konechnym
polozheniem est'
chto v tochnosti ravno ploshadi segmenta sfery edinichnogo radiusa, ogranichennogo liniei shiroty.
Esli vektor perenositsya parallel'no samomu sebe na ploskosti vdol' zamknutoi krivoi, to posle vozvrasheniya v ishodnuyu tochku, vektor sovpadaet sam s soboi. V neevklidovoi geometrii eto ne tak. Sledovatel'no geometriya na sfere neekvivalentna geometrii na ploskosti. Chut' nizhe my uvidim, chto vyvedennye uravneniya imeyut otnoshenie k krivizne poverhnosti.
Rassmotrim teper' parallel'noe perenesenie vektora vdol' zamknutoi krivoi v proizvol'noi neevklidovoi geometrii.
7.2.2 Perenos vektora po beskonechno malomu parallelogrammu
Prezhde chem issledovat' povedenie vektora pri parallel'nom pernose vdol' zamknutoi krivoi proizvol'noi formy, my rassmotrim perenos etogo vektora vdol' beskonechno malogo parallelogramma postroennogo na otrezkah sootvetstvuyushih koordinat.
Itak, pust' u nas zadan vektor . Vershiny parallelogramma oboznachim (sm. ris. 7.1). Tochku i tochku soedinyaet beskonechno malyi vektor . Tochku i tochku soedinyaet beskonechno malyi vektor . Poskol'ku nasha figura - parallelogramm, to storony, protivopolozhnye storonam i soedinyayut vektora poluchennye parallel'nym perenosom. Storona, kotoraya postroena na vektore soedinyayushem tochki i , protivopolozhna storone postroennoi na vektore . Etot vektor, parallel'no perenesennyi na , est' . Storona, kotoraya postroena na vektore, soedinyayushem tochki i , protivopolozhna storone, postroennoi na vektore . Etot vektor, parallel'no perenesennyi na , est' . Takim obrazom my vychislili razmer storon parallelogramma.
Vychislim teper' izmenenie komponent vektora pri perenesenii. Pust' vektor zadannyi v tochke perenositsya parallel'no samomu sebe vnachale cherez tochku v tochku , a zatem iz tochki cherez tochku v tochku .
Rassmotrim vnachale perenos iz v cherez tochku . Velichina vektora,
perenesennogo v est':
Teper' etot vektor dolzhen byt' perenesen iz tochki v tochku . No v
tochke znacheniya simvolov Kristoffelya uzhe drugie:
Posle pereneseniya iz tochki v vektor vnov' izmenyaetsya.
Sledovatel'no vektor, perenesennyi iz v cherez imeet vid:
Zdes' my prenebregli velichinami tret'ego poryadka malosti.
Dlya vektora perenesennogo iz v cherez tochku poluchaem
analogichnoe vyrazhenie, v kotorom vektora i
menyayutsya mestami. Teper' mozhno vychislit' raznost' mezhdu dvumya vektorami,
perenesennymi v po dvum traektoriyam. Eta raznost' ravna:
Eto vyrazhenie yavlyaetsya vektorom, tak kak postroena kak algebraicheskaya summa
vektorov. Drugimi slovami, vyrazhenie, kotoroe stoit v figurnyh skobkah,
yavlyaetsya tenzorom chetvertogo ranga. Etot tenzor:
nazyvaetsya tenzorom krivizny. Poetomu prostranstvo yavlyaetsya evklidovym, esli (7.13) raven nulyu v kazhdoi tochke etogo prostranstva.
Proizvedenie dvuh vektorov na kotoryh postroen parallelogramm est' ploshad' etogo beskonechno malogo parallelogramma.
7.2.3 Izmenenie vektora pri perenose po zamknutoi krivoi
Rassmotrim teper' izmenenie vektora pri parallel'nom perenose vdol' zamknutoi krivoi konechnogo razmera. Razob'em ee na beskonechno malye parallelogrammy, kak pokazano na ris. 7.2
Teper' mozhno poluchit' izmenenie komponent vektora pri
parallel'nom pernose vdol' zamknutoi krivoi konechnyh razmerov v vide
integrala po poverhnosti, styagivaemoi etoi krivoi:
7.3 Svoistva tenzora krivizny
Svoistva tenzora krivizny my uzhe nemnogo obsudili pri analize vtoroi kovariantnoi proizvodnoi ot vektora. Obsudim algebraicheskie svoistva tenzora krivizny bolee podrobno. Dlya etogo opustim verhnii indeks i budem rabotat' tol'ko s kovariantnym tenzorom chetvertogo ranga.
Iz uravneniya (7.4) sleduyut svoistva simmetrii tenzora krivizny:
Do sih por my rassmatrivali obshii sluchai neevklidovoi geometrii, teper' vspomnim, chto nam nuzheno tol'ko chetyrehmernoe prostranstvo. V etom sluchae pary indeksov i probegayut 6 razlichnyh naborov znachenii. Poetomu est' 6 komponent tenzora krivizny s odinakovymi i komponent s razlichnymi znacheniyami indeksov. Tri komponenty s chetyrmya razlichnymi indeksami svyazany uravneniem (7.17), poetomu vsego imeetsya 20 nezavisimyh komponent.
Sushestvuet odno differencial'noe tozhdestvo, kotoroe nazyvaetsya tozhdestvom
B'yanki:
Iz tenzora krivizny chetvertogo ranga obrazuyutsya dopolnitel'no dve velichiny.
Odna yavlyaetsya tenzorom vtorogo ranga i obrazuetsya svertkoi verhnemu i
vtoromu nizhnemu indeksam:
Tenzor Richchi yavlyaetsya simmetrichnym tenzorom, poetomu v chetyrehmernom prostranstve on imeet 10 nezavisimyh komponent (kak i metricheskii tenzor). Svertkoi po ostavshimsya dvum indeksam mozhno poluchit' skalyarnuyu velichinu, kotoraya nazyvaetsya skalyarnoi kriviznoi prostranstva:
Poskol'ku (7.20) yavlyaetsya skalyarnoi velichinoi, to ona yavlyaetsya odnovremenno invariantnoi otnositel'no koordinatnyh preobrazovanii i nazyvaetsya takzhe skalyarnoi kriviznoi prostranstva.
Iz tozhdestv B'yanki mozhno poluchit' vazhnoe ravenstvo. Dlya etogo svernem
tozhdestvo (7.18) po indeksam . Togda poluchim uravnenie
vida:
Svernem eto uravnenie eshe raz s metricheskim tenzorom, poluchim ravenstvo:
V etom uravnenii chetyrehmernaya divergenciya nekotorogo tenzora vtorogo ranga
ravna nulyu. Etot tenzor:
igraet vazhnuyu rol' v obshei teorii otnositel'nosti. Inogda ego nazyvayut tenzorom Einshteina.
7.4 Variacii tenzora krivizny
Rassmotrim teper' izmenenie simvolov Kristoffelya, a takzhe tenzorov krivizny, Richchi i skalyarnoi krivizny pri variaciyah metriki. Poluchennye uravneniya my budem ispol'zovat' v dal'neishem kak dlya vyvoda uravnenii gravitacionnogo polya, tak i dlya analiza slabogo gravitacionnogo polya i slabogo gravitacionnogo polya na fone sil'nogo polya.
Pust' u nas est' metrika
, na kotoruyu nalozheny nebol'shie
izmeneniya, kotorye my budem oboznachat'
i kotorye
yavlyayutsya variaciyami metriki. Otmetim, chto eti dve velichiny po otdel'nosti
obrazuyut tenzora. Tem ne menee seichas my budem rassmatrivat' kak odin
tenzor, kotoryi sostoit iz "fonovoi" metriki i malyh popravok:
Vse velichiny, kotorye my budem vychislyat' nizhe, budem vychislyat' tol'ko do pervogo poryadka malosti po variaciyam, prenebregaya vkladom variacii bolee vysokoi stepeni.
Rassmotrim kak svyazany variacii kontravariantnyh komponent metricheskogo
tenzora s variaciya kovariantnyh komponent. Kontravariantnye komponenty
metricheskogo tenzora udovletvoryayut ravenstvu vida:
Podstavlyaya syuda kovariantnyi metricheskii tenzor s variaciyami
i konravariantnye komponenty
poluchaem svyaz' mezhdu kontravariantnymi i
kovariantnymi variaciyami:
Otsyuda vidno, chto konravariantnye variacii otlichayutsya ot kovariantnyh znakom, a indeksy podnimayutsya metricheskim tenzorom, kak i u lyubyh drugih tenzorov.
Dlya vychisleniya variacii opredelitelya metricheskogo tenzora vvedem absolyutno
antisimmetrichnyi edinichnyi tenzor chetvertogo ranga
[8]. Tak nazyvaetsya tenzor, komponenty kotorogo menyayut znak
pri perestanovke lyubyh dvuh indeksov, prichem otlichnye ot nulya komponenty
ravny . Togda mozhno zapisat' opredelitel' metricheskogo tenzora kak:
Teper' mozhno legko vychislit' variacii opredelitelya metricheskogo tenzora.
Variacii opredelitelya s tochnost'yu do lineinyh po
chlenov est':
Privedem takzhe odnu poleznuyu formulu, soderzhashuyu variacii plotnosti
metricheskogo tenzora:
V etih dvuh uravneniyah opushen indeks v simvolah fonovoi metriki, no poskol'ku my dogovorilis' ostavlyat' tol'ko lineinye chleny po variaciyam, legko opredelit' velichiny soderzhashie etot indeks.
Rassmotrim teper' variacii simvolov Kristoffelya. Vnov' ostavlyaya tol'ko
lineinye chleny po
poluchaem uravnenie dlya variacii
simvolov Kristoffelya:
Otmetim, chto variacii simvolov Kristoffelya po otnosheniyu k "fonovoi" metrike yavlyayutsya tenzorami tret'ego ranga. Kovariantnye proizvodnye postroeny s pomosh'yu fonovoi metriki .
Variacii tenzora Richchi vyrazhayutsya cherez kovariantnye proizvodnye novogo
tenzora - variacii simvolov Kristoffelya
:
Eto uravnenie mozhno perepisat' v terminah variacii metriki, v nih ono imeet
vid:
<< 6. Analiz v neevklidovoi | Oglavlenie | 8. Uravnenie dvizheniya v >>
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Obshaya teoriya otnositel'nosti - special'naya teoriya otnositel'nosti - sistemy otscheta - izmerenie vremeni
Publikacii so slovami: Obshaya teoriya otnositel'nosti - special'naya teoriya otnositel'nosti - sistemy otscheta - izmerenie vremeni | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |