stringtranslate.com

Тензор энергии-напряжения

Контравариантные компоненты тензора энергии-импульса.

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

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 позиционного четырехвектора x задаются формулой: ( 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 - й компоненты вектора импульса через поверхность с постоянной координатой x β . 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

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 варьируются от 1 до 3:

  1. 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 эта компонента равна

    где E и B — электрическое и магнитное поля соответственно. [3]
  2. Поток релятивистской массы через поверхность x k эквивалентен плотности k -й компоненты импульса:
  3. Компоненты
    представляют поток k- й компоненты 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 во всех направлениях, k . Остальные компоненты
    представляют напряжение сдвига (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 энергии-импульса в технике отличается от релятивистского тензора энергии-импульса импульсно-конвективным членом.

Ковариантные и смешанные формы

Большая часть этой статьи посвящена контравариантной форме T µν тензора энергии-импульса. Однако часто приходится работать с ковариантной формой,

или смешанная форма,

или как смешанная тензорная плотность

В этой статье для метрической подписи используется соглашение о пространственных знаках (−+++).

Закон сохранения

В специальной теории относительности

Тензор энергии-напряжения — это сохраняющийся ток Нётера , связанный с перемещениями пространства-времени .

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 является элементом границы, рассматриваемым 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

Когда гравитация не пренебрежимо мала или при использовании произвольных систем координат, расхождение энергии-напряжения все равно исчезает. Но в этом случае используется бескоординатное определение дивергенции , включающее ковариантную производную

где находится 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

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 , которая является функцией набора полей и их производных, но явно не какой-либо из координат пространства-времени, мы можем построить канонический тензор энергии-импульса (см. ниже), рассматривая полную производную по отношению к одной 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 это плотность энергии системы и что, таким образом, можно получить плотность гамильтониана из тензора энергии-импульса.

Действительно, поскольку это так, то, учитывая, что , мы тогда имеем

Тогда мы можем заключить, что члены представляют собой плотность потока энергии системы.

След

Обратите внимание, что след тензора энергии-импульса определяется как , поэтому

С ,

В общей теории относительности

В общей теории относительности симметричный тензор энергии-напряжения действует как источник кривизны пространства-времени и представляет собой плотность тока, связанную с калибровочными 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

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 , Λкосмологическая постоянная (незначительная в масштабе галактики или меньше), и – ньютоновская постоянная гравитации .

Стресс-энергия в особых ситуациях

Изолированная частица

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

где вектор скорости (который не следует путать с четырехскоростным , так как в нем отсутствует а )

дельта-функция Дирака , – 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

Для идеальной жидкости , находящейся в термодинамическом равновесии , тензор энергии-импульса принимает особенно простой вид

где плотность массы-энергии ( килограммы на кубический метр), гидростатическое давление ( паскали ), четырехскоростная скорость жидкости и матрица, обратная метрическому тензору . Таким образом, след определяется выражением

Четырехскоростная скорость удовлетворяет

В инерциальной системе отсчета, движущейся вместе с жидкостью, более известной как собственная система отсчета жидкости , четырехскоростная скорость равна

матрица, обратная метрическому тензору, просто

а тензор энергии-импульса представляет собой диагональную матрицу

Тензор электромагнитного напряжения-энергии

Тензор энергии-импульса Гильберта электромагнитного поля без источника имеет вид

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:

Варианты определения стресса-энергии

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

Тензор энергии-напряжения Гильберта

Тензор энергии-импульса Гильберта определяется как функциональная производная

где – негравитационная часть действия , – негравитационная часть лагранжевой плотности , использовалось уравнение Эйлера–Лагранжа . Это 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 перемещениями в пространстве и времени. 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

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

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.

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. 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».
  2. ^ Миснер, Чарльз В.; Торн, Кип С.; Уиллер, Джон А. (1973). Гравитация . Сан-Франциско, Калифорния: WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-0334-3.
  3. ^ д'Инверно, РА (1992). Знакомство с теорией относительности Эйнштейна . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-859686-8.
  4. ^ Ландау, Л.Д.; Лифшиц, Э.М. (2010). Классическая теория полей (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. стр. 84–85. ISBN 978-0-7506-2768-9.
  5. ^ 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.

Внешние ссылки