Тензор энергии-импульса определяется как тензор T αβ второго порядка, который дает поток α -го компонента вектора импульса через поверхность с постоянной координатой x β . В теории относительности этот вектор импульса принимается за четырехимпульс . В общей теории относительности тензор энергии-импульса симметричен, [a]
В некоторых альтернативных теориях, таких как теория Эйнштейна–Картана , тензор энергии-импульса может быть не идеально симметричным из-за ненулевого тензора спина , который геометрически соответствует ненулевому тензору кручения .
Компоненты
Поскольку тензор энергии-импульса имеет порядок 2, его компоненты можно отобразить в виде матрицы 4 × 4:
где индексы μ и ν принимают значения 0, 1, 2, 3.
Далее k и ℓ находятся в диапазоне от 1 до 3:
Компонент время-время представляет собой плотность релятивистской массы, т.е. плотность энергии , деленную на квадрат скорости света, находясь в сопутствующей системе отсчета . [2] Он имеет прямую физическую интерпретацию. В случае идеальной жидкости этот компонент равен
где — релятивистская масса на единицу объема, а для электромагнитного поля в пустом пространстве эта компонента равна
где E и B — электрическое и магнитное поля соответственно. [3]
Поток релятивистской массы через поверхность x k эквивалентен k -й компоненте плотности линейного импульса ,
Компоненты
представляют собой поток k - го компонента линейного импульса через поверхность x ℓ . В частности,
(не суммируется) представляет собой нормальное напряжение в k -м направлении координат ( k = 1, 2, 3 ), которое называется « давлением », когда оно одинаково в каждом направлении, k . Остальные компоненты
представляют собой касательное напряжение (сравните с тензором напряжений ).
В физике твердого тела и механике жидкости тензор напряжения определяется как пространственные компоненты тензора напряжения-энергии в соответствующей системе отсчета. Другими словами, тензор напряжения-энергии в инженерии отличается от релятивистского тензора напряжения-энергии импульсно-конвективным членом.
Ковариантные и смешанные формы
Большая часть этой статьи работает с контравариантной формой T μν тензора энергии-импульса. Однако часто необходимо работать с ковариантной формой,
или смешанной формой,
или как смешанная плотность тензора
Дивергенция негравитационного напряжения-энергии равна нулю. Другими словами, негравитационная энергия и импульс сохраняются.
Когда гравитация пренебрежимо мала и используется декартова система координат для пространства-времени, это может быть выражено в терминах частных производных как
Интегральная форма нековариантной формулировки имеет вид
, где N — любая компактная четырехмерная область пространства-времени; — ее граница, трехмерная гиперповерхность; а — элемент границы, рассматриваемый как внешняя нормаль.
В плоском пространстве-времени и с использованием декартовых координат, если объединить это с симметрией тензора энергии-импульса, можно показать, что угловой момент также сохраняется:
Следовательно, если — любое векторное поле Киллинга , то закон сохранения, связанный с симметрией, порождаемой векторным полем Киллинга, может быть выражен как
Интегральная форма этого есть
В специальной теории относительности
В специальной теории относительности тензор энергии-импульса содержит информацию о плотностях энергии и импульса данной системы, в дополнение к плотностям потока импульса и энергии. [4]
Учитывая плотность Лагранжа , которая является функцией набора полей и их производных, но явно не какой-либо из пространственно-временных координат, мы можем построить канонический тензор энергии-импульса, рассматривая полную производную по одной из обобщенных координат системы. Итак, с нашим условием
Используя цепное правило, мы имеем
Написано в удобной стенографии,
Затем мы можем использовать уравнение Эйлера–Лагранжа:
А затем используем тот факт, что частные производные коммутируют, так что теперь мы имеем
Мы можем распознать правую часть как правило произведения. Запись его как производной произведения функций говорит нам, что
Теперь, в плоском пространстве, можно написать . Сделав это и переместив это на другую сторону уравнения, мы получаем, что
И при перегруппировке условий,
Это означает, что дивергенция тензора в скобках равна 0. Действительно, таким образом мы определяем тензор энергии-импульса:
По конструкции он имеет свойство, что
Обратите внимание, что это свойство бездивергентности этого тензора эквивалентно четырем уравнениям непрерывности . То есть поля имеют по крайней мере четыре набора величин, которые подчиняются уравнению непрерывности. В качестве примера можно увидеть, что — плотность энергии системы и что таким образом можно получить плотность гамильтониана из тензора энергии-импульса.
Действительно, поскольку это так, то, заметив, что , мы тогда имеем
Тогда мы можем заключить, что члены представляют плотность потока энергии системы.
След
Обратите внимание, что след тензора энергии-напряжения определяется как , поэтому
В общей теории относительности частные производные, используемые в специальной теории относительности, заменяются ковариантными производными . Это означает, что уравнение непрерывности больше не подразумевает, что негравитационная энергия и импульс, выраженные тензором, абсолютно сохраняются, т. е. гравитационное поле может выполнять работу над материей и наоборот. В классическом пределе ньютоновской гравитации это имеет простую интерпретацию: кинетическая энергия обменивается с гравитационной потенциальной энергией , которая не включена в тензор, и импульс передается через поле другим телам. В общей теории относительности псевдотензор Ландау–Лифшица является уникальным способом определения плотности энергии и импульса гравитационного поля. Любой такой псевдотензор энергии-импульса можно заставить локально исчезнуть с помощью преобразования координат.
В искривленном пространстве-времени пространственноподобный интеграл теперь зависит от пространственноподобного среза, в общем случае. Фактически нет способа определить глобальный вектор энергии-импульса в общем искривленном пространстве-времени.
В специальной теории относительности энергия-импульс невзаимодействующей частицы с массой покоя m и траекторией равна:
где — вектор скорости (который не следует путать с четырехскоростью , поскольку в нем отсутствует a ) , — дельта-функция Дирака , — энергия частицы.
На языке классической физики тензор энергии-импульса будет записан следующим образом: (релятивистская масса, импульс, двоичное произведение импульса и скорости) .
где — плотность массы-энергии ( килограммов на кубический метр), — гидростатическое давление ( паскалей ), — 4-скорость жидкости , а — матрица, обратная метрическому тензору . Таким образом, след задается как
Тензор энергии-импульса для комплексного скалярного поля , удовлетворяющего уравнению Клейна–Гордона, имеет вид
, а когда метрика плоская (Минковский в декартовых координатах), его компоненты имеют вид:
Варианты определений стресса–энергии
Существует ряд неэквивалентных определений [5] негравитационного напряжения-энергии:
Теорема Нётер подразумевает, что существует сохраняющийся ток, связанный с трансляциями в пространстве и времени; подробности см. в разделе 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 зависящие от пространства калибровочные преобразования не коммутируют с пространственными трансляциями.
В общей теории относительности переносы происходят относительно системы координат и, как таковые, не преобразуются ковариантно. См. раздел ниже о псевдотензоре гравитационного напряжения–энергии.
Тензор энергии-напряжения Белинфанте–Розенфельда
При наличии спина или другого внутреннего углового момента канонический тензор напряжения-энергии Нётера не может быть симметричным. Тензор напряжения-энергии Белинфанте-Розенфельда строится из канонического тензора напряжения-энергии и спинового тока таким образом, чтобы быть симметричным и при этом сохраняться. В общей теории относительности этот модифицированный тензор согласуется с тензором напряжения-энергии Гильберта.
Гравитационное напряжение–энергия
По принципу эквивалентности гравитационное напряжение-энергия всегда будет локально обращаться в нуль в любой выбранной точке в некоторой выбранной системе отсчета, поэтому гравитационное напряжение-энергия не может быть выражено как ненулевой тензор; вместо этого мы должны использовать псевдотензор .
В общей теории относительности существует множество возможных различных определений псевдотензора гравитационного напряжения-энергии-импульса. К ним относятся псевдотензор Эйнштейна и псевдотензор Ландау–Лифшица . Псевдотензор Ландау–Лифшица может быть сведен к нулю в любом событии в пространстве-времени путем выбора подходящей системы координат.
^ Мизнер, Чарльз В.; Торн, Кип С.; Уилер, Джон А. (1973). Гравитация . Сан-Франциско, Калифорния: WH Freeman and Company. ISBN0-7167-0334-3.
^ d'Inverno, RA (1992). Введение в теорию относительности Эйнштейна . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Oxford University Press. ISBN978-0-19-859686-8.
^ Ландау, Л. Д.; Лифшиц, Э. М. (2010). Классическая теория полей (4-е изд.). Butterworth-Heinemann. стр. 84–85. ISBN978-0-7506-2768-9.
^ Бейкер, MR; Кирющева, Н.; Кузьмин, С. (2021). «Тензоры энергии-импульса Нётер и Гильберта (метрические) в общем случае не эквивалентны». Nuclear Physics B . 962 (1): 115240. arXiv : 2011.10611 . Bibcode :2021NuPhB.96215240B. doi :10.1016/j.nuclphysb.2020.115240. S2CID 227127490.
Дальнейшее чтение
Wyss, Walter (14 июля 2005 г.). "Тензор энергии-импульса в классической теории поля" (PDF) . Universal Journal of Physics and Applications . Old and New Concepts of Physics [предыдущее название журнала] . II (3–4): 295–310. ISSN 2331-6543. ... классической теории поля и, в частности, роли, которую член дивергенции играет в лагранжиане ...
Внешние ссылки
Лекция, Стефан Ванер
Учебник Caltech по теории относительности — Простое обсуждение связи между тензором энергии-импульса общей теории относительности и метрикой