Wektor zabijania

W matematyce , A wektor zabijanie lub zabijanie pola , to pole wektorowe na (pseudo) Riemanna kolektora , który zachowuje metryki tego rozdzielacza i podkreśla jego ciągłego symetrie.

Intuicyjnie wektor zabójczy może być postrzegany jako „pole przemieszczenia  ” , to znaczy łącząc z punktem M rozmaitości punkt M ' określony przez przemieszczenie M wzdłuż krzywej przechodzącej przez M, której jest wektorem stycznym. Jego podstawową właściwością jest to, że to pole reprezentuje izometrię , to znaczy, że zachowuje odległości. Zatem odległość między dwoma punktami M i N jest równa odległości między ich obrazami M ' i N' przez działanie .

Pole takie przyłożone do powierzchni (odmiana o wymiarze 2), widzianej jako zanurzona w trójwymiarowej przestrzeni, umożliwia np. Jej „ślizganie się” po sobie, bez rozdzierania się i marszczenia.

Matematyczne sformułowanie tej właściwości nazywa się równaniem Killinga . Stwierdza, że pochodna Lie z riemannowski metryki w stosunku do wektora Zabójstwo wynosi zero, czyli w dowolnym układzie współrzędnych ,

,

D jest kowariantną pochodną związaną z metryką.

Na tej podstawie wnioskujemy o pewną liczbę właściwości związanych z wektorami zabijającymi.

Historia

Eponim wektora jest Wilhelm KJ Zabijanie (1847-1923), niemiecki matematyk, który go wprowadził1892.

Nieruchomości

Rozbieżność

Kontraktując równanie zabijania z metryką, natychmiast otrzymujemy:

.

Wektor zabijania jest zawsze zerową dywergencją .

Stałe ruchu

Iloczyn skalarny wektora uśmiercanie wektorem stycznym z geodezyjnej jest stała wzdłuż ścieżki. Jeśli oznaczymy ten wektor styczny, otrzymamy

,

operator reprezentujący pochodną w odniesieniu do parametru afinicznego geodezyjnej.

Demonstracja

Operator może przepisać się, zgodnie z definicją geodezyjną,

.

Więc mamy

.

Korzystając z reguły pochodnych Leibniza , otrzymujemy

.

Drugi warunek równości to zero. Rzeczywiście, sama definicja geodezyjna polega na tym, że jego wektor styczny jest utrzymywany wzdłuż geodezyjnego, tj.

.

Pierwszy wyraz równości również wynosi zero. Rzeczywiście, równanie Killinga wskazuje, że tensor jest antysymetryczny. Jego skurcz z symetrycznym tensorem wynosi zatem zero. Więc mamy

.  

Ta właściwość jest szczególnie przydatna do całkowania równania geodezji. Rzeczywiście, istnienie wystarczającej liczby wektorów zabijających umożliwia wówczas wykazanie wystarczającej liczby stałych ruchu, które pozwalają na natychmiastowe i wyraźne rozwiązanie równania geodezyjnego . Prostym przykładem jest metryka Schwarzschilda , która jest sferycznie i statycznie symetryczna . Pierwsza właściwość pozwala na pokazanie dwóch wektorów zabijania, a druga dodatkowego wektora zabijania. Stałe ruchu są związane ze standardem momentu pędu , jego rzutem wzdłuż osi oraz wielkością, w której podejście nierelatywne można by utożsamić z energią cząstki. Tak więc zwykłe prawa zachowania energii i momentu pędu mechaniki klasycznej są przekładane na ogólną teorię względności przez istnienie wektorów zabijających.

Relacja z tensorem Riemanna

Biorąc pochodną równania Killinga i wykorzystując właściwości przełączania pochodnych kowariantnych, otrzymujemy równanie odnoszące drugą pochodną wektora Killinga do tensora Riemanna . Ta relacja jest napisana:

. Demonstracja

Z równania Killinga wykonujemy dodatkowe wyprowadzenie. Otrzymujemy zatem:

.

Kowariantne pochodne generalnie nie dojeżdżają do pracy, ale można je zamienić, jeśli dodamy do nich dodatkowy człon za pomocą tensora Riemanna (jest to nawet definicja tensora Riemanna):

.

W ten sposób otrzymujemy

.

Możemy przepisać to równanie, wykonując permutacje na indeksach a , b i c  :

. .

Biorąc sumę tych trzech równości, otrzymujemy

.

Ze względu na pierwszą tożsamość Bianchi , warunki członka prawej ręki znoszą się nawzajem. Więc mamy

.

Odejmując to od pierwszej równości obejmującej tensor Riemanna, otrzymujemy

.  

Ten związek ma wiele interesujących konsekwencji:

Relacje z twierdzeniem Noether

Skurcz wektora Killinga z tensorem pędu energii umożliwia pokazanie wektora zerowej dywergencji.

Demonstracja

Rzeczywiście, rozbieżność ilości daje

.

Pierwszy wyraz to zero, ponieważ jest to skurcz symetrycznego tensora ( ) i antysymetrycznego tensora ( zgodnie z równaniem Killinga). Drugi człon również jest równy zero, ponieważ pęd tensora energii jest z definicji zerową dywergencją ( ). Więc mamy

.  

Istnienie tego wektora zerowej dywergencji umożliwia zatem zdefiniowanie wielkości konserwowanych za pomocą twierdzenia Noether .

W przestrzeni Minkowskiego i współrzędnych kartezjańskich wektor oznaczony jest wektorem zabijającym, który po prostu mówi, że przestrzeń Minkowskiego jest niezmiennikiem translacyjnym w czasie. To z kolei implikuje zachowanie energii . Podobnie wektory są również wektorami zabijającymi. Obejmuje zachowanie pędu . Żaden z tych wektorów nie jest jednak wektorem zabijającym w rozszerzającym się wszechświecie . To jest powód, dla którego energia promieniowania elektromagnetycznego nie jest zachowywana w czasie: jest to zjawisko przesunięcia ku czerwieni . Ogólnie rzecz biorąc, niekoniecznie istnieją wektory zabijające w dowolnej czasoprzestrzeni . Oznacza to, że w ogólnej teorii względności nie ma zachowania energii, z wyjątkiem szczególnych przypadków, takich jak asymptotycznie płaskie przestrzenie .

Również w przestrzeni Minkowskiego, wektory , , są również zabijaniu wektory. Istnienie tych wektorów implikuje zachowanie momentu pędu . Podobnie, wektory są trzema wektorami zabijającymi. W nierelatywistycznej granicy odpowiadają one wielkości , to znaczy wartości i- tej współrzędnej w danym momencie . Te wektory, w liczbie 10, tworzą wszystkie wektory zabijania liniowo niezależne od przestrzeni Minkowskiego.

Lie algebra wektorów zabijania

Hak Lie z dwoma wektorami Killing i jest również wektor Zabijanie

Demonstracja

Hak Lie z par jest napisany, w kategoriach komponentów,

.

Aby ten wektor był wektorem zabijającym, musi i wystarczy, że spełnia równanie zabijania. Dlatego obliczamy

.

Terminy zawierające produkty dwóch pierwszych pochodnych można manipulować za pomocą równania Killinga dla i , tak że indeks c nie odnosi się do kowariantnej pochodnej, ale do wektora. Tak więc mamy

,

ponieważ warunki znoszą się wzajemnie dwa na dwa. W przypadku terminów obejmujących drugą pochodną równania Killinga są również używane do usuwania indeksu c z kowariantnych pochodnych. Mamy

Rozpoznajemy komutator kowariantnych pochodnych, które możemy przepisać za pomocą tensora Riemanna  :

.

Przez końcu za pomocą stosunków antysymetrii na dwóch parach wskaźników tensora Riemann i odwracanie nieme wskaźniki c i d, na jednym z dwóch elementów w efekcie otrzymujemy

. Zatem hak Lie dwóch wektorów zabijających jest również wektorem zabijającym.  

Dzięki temu można wyposażyć przestrzeń wektorów Killing w strukturę algebry Liego . W ogólnej teorii względności to właśnie w ten sposób dokonuje się pewnych klasyfikacji czasoprzestrzeni, takich jak wspomniana powyżej klasyfikacja Bianchiego, która odnosi się do czterowymiarowych czasoprzestrzeni, których sekcje przestrzenne są jednorodne .

Zgodna transformacja

Podczas transformacji konformalnej wektor zabijający traci swoją podstawową właściwość i nie spełnia już równania zabijania. Spełnia jednak inne równanie, które w niektórych przypadkach może okazać się interesujące. Następnie mówimy o konformalnym wektorze zabijania .

Statyczna czasoprzestrzeń

W ogólnej teorii względności o czasoprzestrzeni (lub jej obszarze) mówi się, że jest statyczna, jeśli dopuszcza wektor zabijania typu czasowego, który można postrzegać jako normalny dla hiperpowierzchni. W tym celu, oprócz równania Killing, wektor Killing musi być proporcjonalny do gradientu (hiperpowierzchnie można postrzegać jako obszary, w których określony parametr jest stały). Ten ostatni warunek jest zapisany w formularzu

,

które dowodzimy dzięki twierdzeniu Frobeniusa . W czterowymiarowej czasoprzestrzeni warunek ten jest wówczas równoważny warunkowi występującemu w skojarzonej formie podwójnej,

,

gdzie jest całkowicie antysymetryczny tensor we wszystkich swoich indeksach.

Metryka Schwarzschilda jest przykładem statycznego czasoprzestrzeni w regionie poza promieniem Schwarzschilda . Reissner-Nordström metryczny ma te same właściwości. Metrykę takich przestrzeni można zapisać w określonym układzie współrzędnych w postaci

.

Widać statyczność:

  1. Fakt, że metryka nie zależy od współrzędnej t (równanie zabijania)
  2. Fakt, że nie ma terminów w (ortogonalności do hiperpowierzchni)

Stacjonarna czasoprzestrzeń

Mówi się, że czasoprzestrzeń jest stacjonarna, jeśli dopuszcza wektor zabijania typu czasowego, przy czym ten ostatni nie ma właściwości ortogonalności w stosunku do hiperpowierzchni. W poprzednim układzie współrzędnych skojarzona metryka jest bardziej ogólna:

.

Czasoprzestrzeń osiowo-symetryczna

Mówi się, że czasoprzestrzeń jest osiowo-symetryczna, jeśli jest stacjonarna (dlatego ma wektor zabijania typu czasowego , patrz powyżej) i ma inny wektor zabijania typu przestrzennego, którego przepływ tworzy zamknięte krzywe i dojeżdża z poprzednimi:

.

Metryka Kerra i Kerr-Newman metryki są znane przykłady osiowosymetrycznych metryk. Powiedział bivector , z oczywistych względów, o zabicie odgrywa ważną rolę w dowodach twierdzeń osobliwość .

Czasoprzestrzeń przy maksymalnej symetrii

Mówi się, że czasoprzestrzeń jest maksymalnie symetryczna - lub maksymalnie symetryczna  - jeśli ma maksymalną liczbę wektorów zabijających, a mianowicie :, gdzie jest liczbą wymiarów czasoprzestrzeni.

Uogólnienia

Równanie typu Killing equation można uogólnić na tensory wyższego rzędu. Mówi się wtedy, zgodnie z wybranym uogólnieniem, o tensorze Zabijania lub tensorze Killing-Yano . W ramach twierdzeń o osobliwościach czasami wprowadzamy pojęcie dwuwektora Killing , utworzonego za pomocą dwóch wektorów Killing.

Uwagi i odniesienia

Uwagi

  1. Termin wektor jest nadużyciem klasycznego języka w fizyce, który łatwo przyswaja element i zbiór, wektor i pole wektorów .
  2. Wielkość zachowaną jest współczynnikiem Lorentza γ, który jest stałą równą nierelatywistycznej granicy sumy energii masy i energii kinetycznej .
  3. W przypadku relatywistycznym, konserwowana ilość to pozycja pomnożona przez współczynnik Lorentza , który sam w sobie jest wielkością zachowaną, ponieważ jest wektorem zabijania (patrz wyżej).

Bibliografia

  1. Alkseevskiĭ 1995 , s.  391, kol.  2 .
  2. Penrose'a 2007 , rozdz.  14 , §  14.7 , s.  312.
  3. Taillet, Villain i Febvre 2018 , sv Killing (wektor), s.  411, kol.  1 .
  4. Hawkins 2000 , rozdz.  4 , §  4.5 , s.  128, przyp.  20 .
  5. Hawkins 2000 , s.  530.
  6. Misner, Thorne i Wheeler 1973 , rozdz.  25 , §  25.2 , s.  650, przyp.  histor. .
  7. Misner, Thorne i Wheeler 1973 , s.  1238, kol.  1 .
  8. Zabijanie 1892 , s.  167.
  9. Peter i Uzan w 2012 roku , 2 e  ręka. , rozdz.  3 , rozdz. 3.6 , §  3.6.1 , s.  176.
  10. Barrau and Grain 2016 , rozdz.  7 , rozdz. 7.1 , §  7.1.2 , s.  129.
  11. Heyvaerts 2012 , rozdz.  10 , rozdz. 10.2 , §  10.2.1 , s.  142.
  12. Carroll 2019 , rozdz.  3 , §  3.9 , s.  140.
  13. Hawking i Ellis 1973 , rozdz.  2 , §  2.6 , s.  44.

Zobacz też

Bibliografia

Podręczniki kursów Słowniki i encyklopedie Oryginalny artykuł

Powiązane artykuły

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">