Тензор гравитационного поля
Тензор гравитационного поля — это антисимметричный тензор, объединяющий в одно целое две компоненты гравитационного поля — напряжённость гравитационного поля и поле кручения. Он используется для описания гравитационного поля произвольной физической системы и для инвариантной формулировки уравнений гравитации в ковариантной теории гравитации. Гравитационное поле системы является компонентой общего поля.
Определение[править | править код]
Тензор гравитационного поля определяется через гравитационный 4-потенциал поля по формуле:[1] [2]
Вследствие антисимметричности данной формулы разность двух ковариантных производных оказывается равной разности двух частных производных по 4-координатам.
Выражение для компонент[править | править код]
Если учесть определение 4-потенциала гравитационного поля: где — скалярный потенциал, — векторный потенциал гравитационного поля, — скорость распространения гравитационного воздействия,
и для прямоугольных декартовых координат ввести напряжённости гравитационного поля по правилам: где есть напряжённость гравитационного поля или гравитационное ускорение, — поле кручения,
то ковариантные компоненты тензора гравитационного поля согласно (1) будут иметь следующий вид:
Согласно правилам тензорной алгебры, поднятие (опускание) индексов тензоров, то есть переход от ковариантных компонент к смешанным и контравариантным компонентам тензоров и обратно, осуществляется с помощью метрического тензора . В частности, , а также
В пространстве Минковского метрический тензор превращается в тензор , не зависящий от координат и времени. В этом пространстве, используемом в специальной теории относительности, контравариантные компоненты тензора гравитационного поля имеют вид:
Так как векторы напряжённости гравитационного поля и поля кручения являются компонентами тензора гравитационного поля, они преобразуются не как векторы, а как компоненты тензора типа (0,2). Закон преобразования этих векторов при переходе из неподвижной системы отсчёта K в систему отсчёта K’, движущуюся со скоростью V вдоль оси X, имеет вид:
В более общем случае, когда скорость системы отсчёта K’ относительно системы отсчёта K направлена в произвольном направлении, а оси систем координат параллельны друг другу, напряжённость гравитационного поля и поле кручения преобразуются так:
Свойства[править | править код]
- — антисимметричный тензор 2-го ранга, для него . Тензор имеет 6 независимых компонент, из которых три связаны с компонентами вектора напряжённости гравитационного поля , а другие три — с компонентами вектора поля кручения .
- Лоренцевские преобразования координат сохраняют два инварианта, вытекающие из тензорных свойств поля:
Первое выражение есть свёртка тензора, а второе определяется как псевдоскалярный инвариант. В последнем выражении используется символ Леви-Чивиты для четырёхмерного пространства, являющийся полностью антисимметричным единичным тензором, при его калибровке
- Детерминант тензора также является лоренцевским инвариантом:
Применение[править | править код]
Рассмотрим следующее выражение:
Равенство (2) выполняется тождественно, что доказывается подстановкой в него определения для тензора гравитационного поля согласно (1). Если в (2) в качестве индексов использовать неповторяющиеся сочетания 012,013, 023 и 123, и от потенциалов поля перейти к напряжённостям, то это приводит к двум векторным уравнениям:
Уравнения (3) и (4) являются двумя из четырёх уравнений Хевисайда для напряжённостей гравитационного поля в Лоренц-инвариантной теории гравитации. Согласно (3), изменение во времени поля кручения создаёт круговое гравитационное ускорение, что приводит к эффекту гравитационной индукции, а уравнение (4) утверждает, что поле кручения, как и магнитное поле, не имеет источников. Уравнения (3) и (4) могут быть получены также из равенства нулю 4-вектора, находимого по формуле:
Другая пара уравнений гравитационного поля также выражается через тензор гравитационного поля: где есть 4-вектор плотности массового тока, — плотность вещества в сопутствующей системе отсчёта, — скорость движения элемента вещества, — гравитационная постоянная.
В развёрнутом виде уравнения для напряжённостей поля с источниками поля имеют вид: где — плотность движущейся массы, — плотность тока массы.
Согласно первому из этих уравнений, напряжённость гравитационного поля порождается плотностью вещества, а по второму уравнению круговое поле кручения всегда сопровождает ток массы либо возникает при изменении во времени вектора напряжённости гравитационного поля.
Гравитационная 4-сила, действующая на массу тела, может быть выражена через тензор гравитационного поля и 4-скорость тела: Данное выражение получается, в частности, как следствие аксиоматического построения ковариантной теории гравитации на языке 4-векторов и тензоров.[3]
Если взять ковариантную дивергенцию от обеих частей в (5), то с учётом (1) получится:[4]
Уравнение непрерывности для массового 4-тока является калибровочным условием, которое используется для получения уравнения поля (5) из принципа наименьшего действия. Следовательно, свёртка тензора гравитационного поля и тензора Риччи должна равняться нулю: . В пространстве Минковского тензор Риччи равен нулю, ковариантная производная превращается в частную производную, и уравнение непрерывности становится таким:
Волновое уравнение для тензора гравитационного поля выглядит следующим образом:[5]
Действие и Лагранжиан[править | править код]
Полный Лагранжиан для вещества в гравитационном и электромагнитном полях включает в себя тензор гравитационного поля и содержится в функции действия:[4] [6]
где — функция Лагранжа или лагранжиан, — дифференциал времени используемой системы отсчёта, — некоторый коэффициент, — скалярная кривизна, — космологическая константа, характеризующая плотность энергии рассматриваемой системы в целом, и потому являющаяся функцией системы, — скорость света, как мера скорости распространения электромагнитного и гравитационного взаимодействий, электромагнитный 4-потенциал , где есть скалярный потенциал, а является векторным потенциалом, — электрический 4-ток, — электрическая постоянная, — тензор электромагнитного поля, — 4-потенциал поля ускорений, и — коэффициенты поля ускорений и поля давления, соответственно, — тензор ускорений, — 4-потенциал поля давления, — тензор поля давления, — инвариантный 4-объём, выражаемый через дифференциал временной координаты , через произведение дифференциалов пространственных координат, и через квадратный корень из детерминанта метрического тензора, взятого с отрицательным знаком.
Варьирование функции действия по 4-координатам даёт уравнение движения элемента вещества в гравитационном и электромагнитном полях и в поле давления:[5]
здесь первый член в правой части есть плотность гравитационной силы, выраженная с помощью тензора гравитационного поля, второй член задаёт электромагнитную силу Лоренца для плотности заряда , измеряемой в сопутствующей системе отсчёта, последний член определяет силу давления.
Если варьировать функцию действия по гравитационному 4-потенциалу, получается уравнение гравитационного поля (5).
Тензор энергии-импульса гравитационного поля[править | править код]
С помощью тензора гравитационного поля в ковариантной теории гравитации строится тензор энергии-импульса гравитационного поля:
Ковариантная производная от тензора энергии-импульса гравитационного поля задаёт 4-вектор плотности гравитационной силы:
Обобщённый импульс и механика Гамильтона[править | править код]
По определению, обобщённый импульс характеризует полный импульс элемента вещества с учётом импульсов от гравитационного и электромагнитного полей. В ковариантной теории гравитации обобщённая сила, как скорость изменения обобщённого импульса по координатному времени, зависит в том числе и от градиента от энергии гравитационного поля, связанного с элементом вещества и определяемого тензором гравитационного поля.[7]
В приближении слабого поля Гамильтониан как релятивистская энергия тела с массой и с зарядом при равен:
Если использовать ковариантный 4-вектор обобщённой скорости
то в общем случае Гамильтониан имеет вид:[4]
где и обозначают временные компоненты 4-векторов и .
Если перейти в систему отсчёта, неподвижную относительно центра масс системы, Гамильтониан будет определять инвариантную энергию системы.
См. также[править | править код]
- Тензор электромагнитного поля
- Тензор ускорений
- Тензор поля давления
- Тензор поля диссипации
- Тензор энергии-импульса гравитационного поля
- Гравитоэлектромагнетизм
- Напряжённость гравитационного поля
- Поле кручения
- Общее поле
- Поле диссипации
- Поле ускорений
- Поле давления
- Лоренц-инвариантная теория гравитации
- Максвеллоподобные гравитационные уравнения
- Ковариантная теория гравитации
Ссылки[править | править код]
- ↑ Федосин С. Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик, Пермь: Стиль-МГ, 1999, ISBN 5-8131-0012-1. 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв.
- ↑ Strel’tsov V.N. On the Lorentz-Covariant Theory of Gravity. Apeiron, 1999, Vol. 6, Nr. 1‒2, P. 55 — 61.
- ↑ Федосин С. Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи, Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
- ↑ а б в Fedosin S.G. About the cosmological constant, acceleration field, pressure field and energy. Jordan Journal of Physics. Vol. 9 (No. 1), pp. 1‒30 (2016). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.889304; статья на русском языке: О космологической постоянной, поле ускорения, поле давления и об энергии.
- ↑ а б Fedosin S.G. Equations of Motion in the Theory of Relativistic Vector Fields. International Letters of Chemistry, Physics and Astronomy, Vol. 83, pp. 12‒30 (2019). https://doi.org/10.18052/www.scipress.com/ILCPA.83.12. // Уравнения движения в теории релятивистских векторных полей.
- ↑ Fedosin S.G. The Principle of Least Action in Covariant Theory of Gravitation. Hadronic Journal, Vol. 35, No. 1, pp. 35‒70 (2012). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.889804. статья на русском языке: Принцип наименьшего действия в ковариантной теории гравитации.
- ↑ Fedosin S.G. The Hamiltonian in Covariant Theory of Gravitation. Advances in Natural Science, 2012, Vol. 5, No. 4, P. 55 — 75. http://dx.doi.org/10.3968%2Fj.ans.1715787020120504.2023; статья на русском языке: Гамильтониан в ковариантной теории гравитации.