stringtranslate.com

Тензор энергии-напряжения

Контравариантные компоненты тензора энергии-импульса.

Тензор энергии-импульса , иногда называемый тензором энергии-импульса или тензором энергии-импульса , является тензорной физической величиной , которая описывает плотность и поток энергии и импульса в пространстве-времени , обобщая тензор напряжений ньютоновской физики . Он является атрибутом материи , излучения и негравитационных силовых полей . Эта плотность и поток энергии и импульса являются источниками гравитационного поля в уравнениях поля Эйнштейна общей теории относительности , так же как плотность массы является источником такого поля в ньютоновской гравитации .

Определение

Тензор энергии-импульса подразумевает использование переменных с верхним индексом ( не экспонент; см. обозначение индекса тензора и обозначение суммирования Эйнштейна ). Если используются декартовы координаты в единицах СИ , то компоненты позиционного четырехвектора x задаются как: ( x 0 , x 1 , x 2 , x 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 αβ второго порядка, который дает поток α компоненты 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, [1]

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-напряжения имеет порядок 2, его компоненты можно отобразить в виде матрицы 4 × 4:

где индексы μ и ν принимают значения 0, 1, 2, 3.

В дальнейшем k и будут иметь значения от 1 до 3:

  1. 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]
  2. Поток релятивистской массы через поверхность x k эквивалентен k -й компоненте плотности линейного импульса ,
  3. Компоненты
    представляют собой поток k- го компонента линейного импульса через поверхность x . 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 смешанная форма,

или как смешанная тензорная плотность

В данной статье для метрической сигнатуры используется пространственное соглашение о знаках (−+++).

Закон сохранения

В специальной теории относительности

Тензор энергии-импульса представляет собой сохраняющийся ток Нётер, связанный с пространственно-временными трансляциями .

Дивергенция негравитационного напряжения-энергии равна нулю. Другими словами, негравитационная энергия и импульс сохраняются,

Когда гравитация незначительна и используется декартова система координат для пространства-времени, это можно выразить через частные производные как

Интегральная форма нековариантной формулировки имеет вид

где N — любая компактная четырехмерная область пространства-времени; — ее граница, трехмерная гиперповерхность; и — 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:

В общей теории относительности

Когда гравитация не пренебрежимо мала или при использовании произвольных систем координат, расхождение напряжения-энергии все еще исчезает. Но в этом случае используется определение расхождения без координат , которое включает ковариантную производную

где - 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 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 построению 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

С ,

В общей теории относительности

В общей теории относительности симметричный тензор энергии-импульса действует как источник кривизны пространства-времени и является плотностью тока, связанной с калибровочными преобразованиями гравитации, которые являются общими криволинейными преобразованиями координат . (Если есть кручение , то тензор больше не является 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 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.

Уравнения поля Эйнштейна

В общей теории относительности тензор энергии-импульса изучается в контексте уравнений поля Эйнштейна, которые часто записываются как

где — тензор Риччи , — скаляр Риччи ( тензорная контракция тензора Риччи), — метрический тензор , Λкосмологическая постоянная (пренебрежимо малая в масштабах галактики или меньше), а — гравитационная постоянная Эйнштейна .

Стресс–энергия в особых ситуациях

Изолированная частица

В специальной теории относительности энергия-импульс невзаимодействующей частицы с массой покоя m и траекторией равна:

где — вектор скорости (который не следует путать с четырехскоростным , поскольку в нем отсутствует a )

дельта-функция Дирака , — энергия частицы.

На языке классической физики тензор энергии-импульса будет выглядеть следующим образом: (релятивистская масса, импульс, двоичное произведение импульса и скорости):

.

Напряжение–энергия жидкости в равновесии

Для идеальной жидкости, находящейся в термодинамическом равновесии , тензор энергии-напряжения принимает особенно простую форму

где — плотность массы-энергии ( килограммов на кубический метр), — гидростатическое давление ( паскалей ), — 4-скорость жидкости , а — матрица, обратная метрическому тензору . Таким образом, след задается как

Четырехскоростной удовлетворяет ​

В инерциальной системе отсчета, сопутствующей жидкости, более известной как собственная система отсчета жидкости , четырехскорость равна

матрица, обратная метрическому тензору, просто

а тензор энергии-напряжения представляет собой диагональную матрицу

Электромагнитный тензор энергии-напряжения

Тензор энергии-импульса Гильберта электромагнитного поля без источника равен

где - тензор электромагнитного поля .

Скалярное поле

Тензор энергии-импульса для комплексного скалярного поля , удовлетворяющего уравнению Клейна–Гордона, имеет вид

а когда метрика плоская (Минковский в декартовых координатах), ее компоненты получаются следующими:

Варианты определений стресса–энергии

Существует ряд неэквивалентных определений [5] негравитационного напряжения-энергии:

Тензор энергии-напряжения Гильберта

Тензор энергии-напряжения Гильберта определяется как функциональная производная

где — негравитационная часть действия , — негравитационная часть плотности лагранжиана , и использовалось уравнение Эйлера–Лагранжа . Оно симметрично и калибровочно-инвариантно. Для получения дополнительной информации см. действие Эйнштейна–Гильберта .

Канонический тензор энергии-напряжения

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.

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ На стр. 141–142 Мизнера, Торна и Уиллера раздел 5.7 «Симметрия тензора энергии-напряжения» начинается словами: «Все тензоры энергии-напряжения, рассмотренные выше, были симметричными. То, что они не могли быть симметричными, можно увидеть из следующего».
  2. ^ Мизнер, Чарльз В.; Торн, Кип С.; Уилер, Джон А. (1973). Гравитация . Сан-Франциско, Калифорния: WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-0334-3.
  3. ^ d'Inverno, RA (1992). Введение в теорию относительности Эйнштейна . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-859686-8.
  4. ^ Ландау, Л. Д.; Лифшиц, Э. М. (2010). Классическая теория полей (4-е изд.). Butterworth-Heinemann. стр. 84–85. ISBN 978-0-7506-2768-9.
  5. ^ 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.

Внешние ссылки