Тензор энергии-напряжения
Общая теория относительности |
---|
Тензор энергии-импульса , иногда называемый тензором напряжения-энергии-импульса или тензором энергии-импульса , представляет собой тензорную физическую величину , которая описывает плотность и поток энергии , и импульса в пространстве-времени обобщая тензор напряжений ньютоновской физики . Это атрибут материи , излучения и негравитационных силовых полей . Эта плотность и поток энергии и импульса являются источниками гравитационного поля в уравнениях поля Эйнштейна , общей теории относительности точно так же, как плотность массы является источником такого поля в ньютоновской гравитации .
Определение
[ редактировать ]Тензор энергии-напряжения включает использование переменных с надстрочными индексами ( а не показателей степени; см. обозначение индекса тензора и обозначение суммирования Эйнштейна ). Если используются декартовы координаты в единицах СИ , то компоненты четырехвектора положения x определяются как: ( x 0 , х 1 , х 2 , х 3 ) = ( t , x , y , z ) , где t — время в секундах, а x , y и z — расстояния в метрах .
Тензор энергии-импульса определяется как тензор T аб второго порядка, что дает поток α -й компоненты импульса вектора через поверхность с постоянной x б координировать . В теории относительности этот вектор импульса принимается за четырёхимпульс . В общей теории относительности тензор энергии-импульса симметричен: [1]
В некоторых альтернативных теориях, таких как теория Эйнштейна-Картана , тензор энергии-напряжения может быть не совсем симметричным из-за ненулевого тензора спина , который геометрически соответствует ненулевому тензору кручения .
Компоненты
[ редактировать ]Поскольку тензор энергии-импульса имеет порядок 2, его компоненты можно отобразить в матричной форме 4 × 4:
где индексы µ и ν принимают значения 0, 1, 2, 3.
Ниже k и ℓ варьируются от 1 до 3:
- Компонент время-время — это плотность релятивистской массы, т. е. плотность энергии , деленная на квадрат скорости света, при нахождении в сопутствующей системе отсчета . [2] Оно имеет прямую физическую интерпретацию. В случае идеальной жидкости эта компонента равна
где - релятивистская масса единицы объема, а для электромагнитного поля в пустом пространстве этот компонент равен
- Поток релятивистской массы через x к поверхности эквивалентна плотности k- й компоненты импульса,
- Компоненты
- представляют собой поток k-й компоненты линейного импульса через x ℓ поверхность. В частности,
В физике твердого тела и механике жидкости тензор напряжений определяется как пространственные компоненты тензора напряжения-энергии в соответствующей системе отсчета. Другими словами, тензор энергии-импульса в технике отличается от релятивистского тензора энергии-импульса импульсно-конвективным членом.
Ковариантные и смешанные формы
[ редактировать ]Большая часть этой статьи посвящена контравариантной форме T примечание тензора энергии-импульса. Однако часто приходится работать с ковариантной формой,
или смешанная форма,
или как смешанная тензорная плотность
используется пространственноподобное соглашение о знаках В этой статье для метрической подписи (-+++).
Закон сохранения
[ редактировать ]В специальной теории относительности
[ редактировать ]Тензор энергии-напряжения — это сохраняющийся ток Нётера, связанный с пространства-времени перемещениями .
Дивергенция негравитационной энергии-напряжения равна нулю. Другими словами, негравитационная энергия и импульс сохраняются.
Когда гравитация незначительна и для пространства-времени используется декартова система координат , это можно выразить через частные производные как
Интегральная форма нековариантной формулировки имеет вид
где N — любая компактная четырехмерная область пространства-времени; — его граница, трёхмерная гиперповерхность; и представляет собой элемент границы, рассматриваемый как нормаль, направленная наружу.
В плоском пространстве-времени и с использованием декартовых координат, если объединить это с симметрией тензора энергии-импульса, можно показать, что угловой момент также сохраняется:
В общей теории относительности
[ редактировать ]Когда гравитация не пренебрежимо мала или при использовании произвольных систем координат, расхождение энергии-напряжения все равно исчезает. Но в этом случае бескоординатное определение дивергенции используется , включающее ковариантную производную
где Это символ Кристоффеля , который представляет собой гравитационное силовое поле .
Следовательно, если — любое векторное поле Киллинга , то закон сохранения, связанный с симметрией, порожденной векторным полем Киллинга, может быть выражен как
Интегральная форма этого
В специальной теории относительности
[ редактировать ]В специальной теории относительности тензор энергии-импульса содержит информацию о плотностях энергии и импульса данной системы, помимо плотностей потока импульса и энергии. [4]
Учитывая лагранжеву плотность это функция набора полей и их производных, но явно не какой-либо из координат пространства-времени, мы можем построить канонический тензор энергии-импульса , рассматривая полную производную по одной из обобщенных координат системы. Итак, в нашем состоянии
Тогда, используя правило цепочки, мы имеем
Написано полезной стенографией,
Тогда мы можем использовать уравнение Эйлера-Лагранжа:
А затем воспользуемся тем фактом, что частные производные коммутируют, так что теперь мы имеем
Мы можем признать правую часть правилом произведения. Запись его как производной произведения функций говорит нам, что
Теперь на плоском пространстве можно написать . Проделав это и переместив это на другую сторону уравнения, мы получим, что
И по условиям перегруппировки,
То есть дивергенция тензора в скобках равна 0. Действительно, этим мы определяем тензор энергии-импульса:
По конструкции он обладает свойством,
Заметим, что это бездивергентное свойство этого тензора эквивалентно четырем уравнениям непрерывности . То есть поля имеют как минимум четыре набора величин, подчиняющихся уравнению непрерывности. В качестве примера можно увидеть, что — плотность энергии системы, и, таким образом, можно получить плотность гамильтониана из тензора энергии-импульса.
Действительно, поскольку это так, то, заметив, что , тогда мы имеем
Тогда мы можем заключить, что условия представляют собой плотность потока энергии системы.
След
[ редактировать ]Заметим, что след тензора энергии-импульса определяется как , так
С ,
В общей теории относительности
[ редактировать ]В общей теории относительности симметричный калибровочными тензор энергии-напряжения действует как источник кривизны пространства-времени и представляет собой плотность тока, связанную с преобразованиями гравитации, которые представляют собой общие криволинейные преобразования координат . (Если есть кручение , то тензор перестает быть симметричным. Это соответствует случаю с ненулевым тензором спина в теории гравитации Эйнштейна – Картана .)
В общей теории относительности частные производные, используемые в специальной теории относительности, заменяются ковариантными производными . Это означает, что уравнение непрерывности больше не подразумевает, что негравитационные энергия и импульс, выраженные тензором, абсолютно сохраняются, т.е. гравитационное поле может совершать работу над веществом и наоборот. В классическом пределе ньютоновской гравитации это имеет простую интерпретацию: кинетическая энергия обменивается с гравитационной потенциальной энергией , которая не входит в тензор, и импульс передается через поле другим телам. В общей теории относительности псевдотензор Ландау – Лифшица является уникальным способом определения энергии гравитационного поля и плотности импульса. Любой такой псевдотензор энергии-напряжения можно локально обратить в нуль путем преобразования координат.
В искривленном пространстве-времени пространственноподобный интеграл теперь вообще зависит от пространственноподобного среза. На самом деле не существует способа определить глобальный вектор энергии-импульса в общем искривленном пространстве-времени.
Уравнения поля Эйнштейна
[ редактировать ]В общей теории относительности тензор энергии-импульса изучается в контексте уравнений поля Эйнштейна, которые часто записываются как
где – тензор Риччи , – скаляр Риччи ( тензорное сжатие тензора Риччи), — метрический тензор , Λ — космологическая постоянная (незначительная в масштабе галактики или меньше), а Эйнштейна гравитационная постоянная .
Стресс-энергия в особых ситуациях
[ редактировать ]Изолированная частица
[ редактировать ]В специальной теории относительности энергия-напряжение невзаимодействующей частицы с массой покоя m и траекторией является:
где — вектор скорости (который не следует путать с четырехскоростным , поскольку в нем отсутствует )
- дельта-функция Дирака и это энергия частицы.
Написанный на языке классической физики тензор энергии-напряжения будет иметь вид (релятивистская масса, импульс, двоичное произведение импульса и скорости)
- .
Напряжение-энергия жидкости в равновесии
[ редактировать ]Для идеальной жидкости, находящейся в термодинамическом равновесии , тензор энергии-импульса принимает особенно простой вид
где - плотность массы-энергии ( килограммов на кубический метр), - гидростатическое давление ( паскали ), жидкости — четырехскоростная скорость , а — матрица, обратная метрическому тензору . Таким образом, след определяется выражением
Четырехскоростная скорость удовлетворяет
В инерциальной системе отсчета, отсчета жидкости движущейся вместе с жидкостью, более известной как собственная система , четырехскоростная скорость равна
матрица, обратная метрическому тензору, просто
а тензор энергии-импульса представляет собой диагональную матрицу
Тензор электромагнитного напряжения-энергии
[ редактировать ]Тензор энергии-импульса Гильберта электромагнитного поля без источника имеет вид
где – тензор электромагнитного поля .
Скалярное поле
[ редактировать ]Тензор энергии-импульса для комплексного скалярного поля которое удовлетворяет уравнению Клейна – Гордона, есть
а когда метрика плоская (Минковский в декартовых координатах), ее компоненты получаются:
Варианты определения стресса-энергии
[ редактировать ]Существует ряд неэквивалентных определений. [5] негравитационной энергии стресса:
Тензор энергии-напряжения Гильберта
[ редактировать ]Тензор энергии-импульса Гильберта определяется как функциональная производная
где – негравитационная часть действия , - негравитационная часть лагранжевой плотности, уравнение Эйлера-Лагранжа использовалось . Это симметрично и калибровочно-инвариантно. Для получения дополнительной информации см. Действие Эйнштейна – Гильберта .
Канонический тензор энергии-напряжения
[ редактировать ]Теорема Нётер подразумевает, что существует сохраняющийся ток, связанный с перемещениями в пространстве и времени; подробнее см. раздел выше о тензоре энергии-импульса в специальной теории относительности. Это называется каноническим тензором энергии-импульса. Как правило, это не симметрично, и если у нас есть некоторая калибровочная теория, она может не быть калибровочно-инвариантной , поскольку пространственно-зависимые калибровочные преобразования не коммутируют с пространственными сдвигами.
В общей теории относительности переводы выполняются относительно системы координат и, как таковые, не преобразуются ковариантно. См. раздел ниже, посвященный гравитационному псевдотензору энергии-напряжения.
Тензор энергии-напряжения Белинфанте – Розенфельда
[ редактировать ]При наличии спина или другого собственного углового момента канонический тензор энергии-напряжения Нётер не может быть симметричным. Тензор энергии-напряжения Белинфанте-Розенфельда построен из канонического тензора энергии-напряжения и спинового тока таким образом, чтобы быть симметричным и при этом сохраняться. В общей теории относительности этот модифицированный тензор согласуется с тензором энергии-импульса Гильберта.
Гравитационный стресс-энергия
[ редактировать ]Согласно принципу эквивалентности гравитационное напряжение-энергия всегда будет локально равно нулю в любой выбранной точке некоторой выбранной системы отсчета, поэтому гравитационное напряжение-энергия не может быть выражено как ненулевой тензор; вместо этого нам придется использовать псевдотензор .
В общей теории относительности существует множество возможных различных определений гравитационного псевдотензора напряжения-энергии-импульса. К ним относятся псевдотензор Эйнштейна и псевдотензор Ландау–Лифшица . Псевдотензор Ландау–Лифшица можно свести к нулю в любом событии в пространстве-времени, выбрав подходящую систему координат.
См. также
[ редактировать ]Примечания и ссылки
[ редактировать ]- ↑ На стр. 141–142 книги Миснера, Торна и Уиллера раздел 5.7 «Симметрия тензора энергии-напряжения» начинается со слов «Все тензоры энергии-напряжения, исследованные выше, были симметричными. То, что иначе они не могли бы быть, можно увидеть как следует».
- ^ Миснер, Чарльз В.; Торн, Кип С.; Уиллер, Джон А. (1973). Гравитация . Сан-Франциско, Калифорния: WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-0334-3 .
- ^ д'Инверно, РА (1992). Знакомство с теорией относительности Эйнштейна . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-859686-8 .
- ^ Ландау, Л.Д.; Лифшиц, Э.М. (2010). Классическая теория полей (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. стр. 84–85. ISBN 978-0-7506-2768-9 .
- ^ Бейкер, MR; Кирющева Н.; Кузьмин, С. (2021). «Нётеровские и гильбертовы (метрические) тензоры энергии-импульса, вообще говоря, не эквивалентны» . Ядерная физика Б . 962 (1): 115240. arXiv : 2011.10611 . Бибкод : 2021NuPhB.96215240B . doi : 10.1016/j.nuclphysb.2020.115240 . S2CID 227127490 .
- В. Висс (2005). «Тензор энергии-импульса в классической теории поля» (PDF) . Колорадо, США.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Лекция, Стефан Ванер
- Учебное пособие Калифорнийского технологического института по теории относительности - простое обсуждение связи между тензором напряжения-энергии общей теории относительности и метрикой.