Drap vektor

I matematikk er en Killing-vektor , eller Killing- felt , et vektorfelt på en (pseudo-) Riemannian-manifold som bevarer metrikken til denne manifolden og fremhever dens kontinuerlige symmetrier.

Intuitivt kan en drapsvektor sees på som et " forskyvningsfelt  " , det vil si å assosiere med et punkt M i manifolden punktet M ' definert av forskyvningen av M langs kurven som går gjennom M og er tangensvektoren. Den grunnleggende egenskapen er at dette feltet representerer en isometri , det vil si at det bevarer avstandene. Dermed er avstanden mellom to punkter M og N lik avstanden mellom bildene M ' og N' ved handlingen av .

Påført en overflate (manifold av dimensjon 2) sett på som nedsenket i et tredimensjonalt rom, gjør et slikt felt det mulig for eksempel å få det til å "gli" på seg selv, uten at det rives eller rynker.

Den matematiske formuleringen av denne egenskapen kalles Killing-ligningen . Den sier at Lie-derivatet av den Riemanniske metriske med hensyn til drapsvektoren er null, det vil si i et hvilket som helst koordinatsystem ,

,

D er kovariantderivatet assosiert med beregningen.

Fra dette trekker vi ut et visst antall egenskaper tilknyttet Killing-vektorer.

Historie

Den eponym av vektoren er Wilhelm KJ Killing (1847-1923), en tysk matematiker som introduserte den i1892.

Eiendommer

Divergens

Ved å trekke Killing-ligningen med beregningen får vi umiddelbart:

.

En drapsvektor er alltid null divergens .

Konstant bevegelse

Den punkt-produkt av en killing vektor med tangentvektoren av et geodetisk er konstant langs en bane. Hvis vi betegner denne tangentvektoren, har vi derfor

,

operatøren som representerer derivatet med hensyn til en affineparameter for geodesikken.

Demonstrasjon

Operatøren kan omskrive seg selv, i henhold til definisjonen av en geodesic,

.

Så det har vi gjort

.

Ved å bruke Leibnizs regel om derivater får vi deretter

.

Den andre begrepet likhet er null. Faktisk er selve definisjonen av en geodesikk at dens tangentvektor holdes langs geodesikken, dvs.

.

Den første begrepet likhet er også null. Faktisk indikerer Killing-ligningen at tensoren er antisymmetrisk. Dets sammentrekning med en symmetrisk tensor er derfor null. Så det har vi gjort

.  

Denne egenskapen er spesielt nyttig for å integrere ligningen av geodesikk. Faktisk gjør eksistensen av et tilstrekkelig antall drapsvektorer det mulig å vise et tilstrekkelig antall bevegelseskonstanter som tillater umiddelbar og eksplisitt oppløsning av den geodesiske ligningen . Et enkelt eksempel er Schwarzschild-beregningen , som er både sfærisk og statisk symmetrisk . Den første egenskapen tillater å vise to drapsvektorer og den andre en ekstra drapsvektor. Konstantene til bevegelsen er assosiert med vinkelmomentets standard , projeksjonen langs en akse, og en mengde der en tilnærming som ikke er relativ kan identifiseres med partikkelens energi . Dermed blir de vanlige lovene for bevaring av energi og vinkelmomentet til klassisk mekanikk oversatt til generell relativitet ved eksistensen av drapsvektorer.

Forholdet til Riemann-tensoren

Ved å ta derivatet av Killing-ligningen og bruke koblingsegenskapene til de kovariante derivatene, får vi en ligning som relaterer det andre derivatet av en Killing-vektor til Riemann-tensoren . Dette forholdet er skrevet:

. Demonstrasjon

Fra Killing-ligningen utfører vi en ekstra avledning. Vi får derfor:

.

Kovariantderivatene pendler ikke generelt, men kan pendles hvis vi legger til en ekstra term ved bruk av Riemann-tensoren (dette er til og med definisjonen av Riemann-tensoren):

.

Vi oppnår dermed

.

Vi kan omskrive denne ligningen ved å utføre permutasjoner på indeksene a , b og c  :

. .

Ved å ta summen av disse tre likhetene oppnår vi

.

I kraft av Bianchis første identitet avbryter vilkårene for det høyre medlemmet hverandre. Så det har vi gjort

.

Ved å trekke dette fra den første likheten som involverer Riemann-tensoren, kommer den

.  

Dette forholdet har en rekke interessante konsekvenser:

Forholdet til Noethers teorem

Sammentrekningen av en Killing-vektor med energimomentstensoren gjør det mulig å vise en vektor med null divergens.

Demonstrasjon

Faktisk divergensen av mengden gir

.

Det første begrepet er null, fordi det er sammentrekningen av en symmetrisk tensor ( ) og en antisymmetrisk tensor ( , ifølge Killing-ligningen). Det andre begrepet er også null fordi energitensormomentet per definisjon er null divergens ( ). Så det har vi gjort

.  

Eksistensen av denne vektoren med null divergens gjør det da mulig å definere konserverte størrelser ved hjelp av Noethers teorem .

I Minkowski-rommet og kartesiske koordinater er vektoren , betegnet , en Killing-vektor, som ganske enkelt sier at Minkowski-rommet er overgangsevariant over tid. Dette innebærer da bevaring av energi . På samme måte er vektorene også Killing-vektorer. Det innebærer bevaring av fart . Ingen av disse vektorene er imidlertid en Killing-vektor i et ekspanderende univers . Dette er grunnen til at energien til elektromagnetisk stråling ikke bevares over tid: det er fenomenet rødforskyvning . Generelt er det ikke nødvendigvis drepende vektorer i noe tid . Dette innebærer at generelt relativitet er det ingen bevaring av energi, bortsett fra i spesielle tilfeller, som for asymptotisk flate rom .

Også i Minkowski plass, vektorene , , er også Killing vektorer. Eksistensen av disse vektorene innebærer bevaring av vinkelmomentet . På samme måte er vektorene tre Killing-vektorer. I nonrelativistic grense, de svarer til den mengde , det vil si verdien av den i th koordinaten i øyeblikket . Disse vektorene, 10 i antall, danner alle drapsvektorene lineært uavhengig av Minkowski-rommet.

Løg algebra av drapvektorer

Den Lie krok av to Killing vektorer og er også en vektor Killing

Demonstrasjon

Lie kroken av par er skrevet, når det gjelder komponenter,

.

For at denne vektoren skal være en Drepingsvektor, må den og være tilstrekkelig at den tilfredsstiller Drapligningen. Vi beregner derfor

.

Betegnelser som inneholder produkter av to første derivater kan manipuleres ved å bruke Killing-ligningen for og , slik at indeksen c ikke er relatert til det kovariante derivatet, men til vektoren. Dermed har vi

,

fordi vilkårene avbryter hverandre to og to. For termer som inkluderer andre derivater, brukes Killings ligninger også for å fjerne c- indeksen fra samvarianderivater. Vi har

Vi kjenner igjen kommutatoren for de kovariante derivatene, som vi kan omskrive ved hjelp av Riemann-tensoren  :

.

Ved å til slutt bruke antisymmetri-forholdet på de to par indeksene til Riemann-tensoren og ved å invertere de stille indeksene c og d på et av de to medlemmene av resultatet, oppnår vi

. Så Lie-kroken til to drapsvektorer er også en drapsvektor.  

Dette gjør det mulig å utstyre rommet til drapvektorer med en Lie-algebra- struktur . Generell relativitet er det gjennom dette at visse klassifiseringer av romtider blir utført, for eksempel Bianchi-klassifiseringen nevnt ovenfor, som er relatert til firedimensjonale romtider hvis romlige seksjoner er homogene .

Overensstemmende transformasjon

Under en konform transformasjon mister en Killing-vektor sin grunnleggende eiendom og tilfredsstiller ikke lenger Killing-ligningen. Imidlertid tilfredsstiller den en annen ligning som i visse tilfeller kan vise seg å være interessant. Vi snakker da om en konform konjunkturvektor .

Statisk romtid

I den generelle relativitets , en rom-tid (eller et område av dette) sies å være statisk hvis det medgir en tid-type Killing vektor som kan ses på som den normalt å hypersurfaces. For dette, i tillegg til Killing-ligningen, må Killing-vektoren være proporsjonal med en gradient (overflater kan sees på som regioner der en bestemt parameter er konstant). Denne siste tilstanden er skrevet i form

,

som vi beviser takket være en teorem om Frobenius . I en firedimensjonal romtid tilsvarer denne tilstanden den på den tilhørende doble formen ,

,

hvor er en helt antisymmetrisk tensor i alle dens indekser.

Den Schwarz metrisk er et eksempel på en statisk rom-tid i området utenfor den radius Schwarz . Den Reissner-Nordström metriske har den samme eiendommen. Beregningen av slike mellomrom kan skrives i et bestemt koordinatsystem i skjemaet

.

Statisitet kan sees:

  1. Ved at beregningen ikke er avhengig av koordinaten t (Killing ligning)
  2. Av det faktum at det ikke er noen vilkår i (ortogonalitet til overflater)

Stasjonær romtid

En romtid sies å være stasjonær hvis den innrømmer en tidstypende drapsvektor, uten at sistnevnte har egenskapen til ortogonalitet til overflater. I det foregående koordinatsystemet er den tilknyttede beregningen mer generell:

.

Aksisymmetrisk romtid

En romtid sies å være aksymetrisk hvis den er stasjonær (den har derfor en tidstypedrapningsvektor , se ovenfor) og har en annen romtypedrapningsvektor hvis strømning danner lukkede kurver og som pendler med tidligere:

.

Den Kerr metrisk og den Kerr-Newman metrisk er kjente eksempler på aksesymmetriske beregninger. Det sa bivector , av åpenbare grunner, av Killing spiller en viktig rolle i bevisene Singularity teoremer .

Romtid ved maksimal symmetri

En romtid sies å være på maksimal symmetri - eller maksimalt symmetrisk  - hvis den har et maksimalt antall drapsvektorer, nemlig :, hvor er antall dimensjoner av romtid.

Generaliseringer

En ligning av typen Killing ligning kan generaliseres til høyere ordens tensorer . Man snakker da, ifølge den valgte generaliseringen, om tensor of Killing eller tensor of Killing-Yano . I rammen av teoremene om singulariteter introduserer vi noen ganger begrepet Killing bivector , dannet ved hjelp av to Killing-vektorer.

Merknader og referanser

Merknader

  1. Begrepet vektoren er et misbruk av klassisk språk i fysikk, som lett assimilerer element og sett, vektor og felt av vektorer .
  2. Den konserverte størrelsen er Lorentz-faktoren γ, som er en konstant lik i den ikke-relativistiske grensen til summen av masseenergien og den kinetiske energien .
  3. I det relativistiske tilfellet er den konserverte størrelsen posisjonen multiplisert med Lorentz-faktoren , som i seg selv er en konservert størrelse fordi den er en Killing-vektor (se ovenfor).

Referanser

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

Se også

Bibliografi

Kurshåndbøker Ordbøker og leksika Original artikkel

Relaterte artikler

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