В теории общей теории относительности, линеаризованная гравитация является приложением теории возмущений к метрическому тензору , который описывает геометрию пространства-времени. Как следствие, линеаризованная гравитация является эффективным методом моделирования эффектов гравитации, когда гравитационное поле является слабым. Использование линеаризованной гравитации является неотъемлемой частью исследования гравитационных волн и слабого поля гравитационного линзирования.
Содержание
- 1 Приближение слабого поля
- 1.1 Калибровочная инвариантность
- 1.2 Выбор датчика
- 1.2.1 Поперечный датчик
- 1.2.2 Синхронный датчик
- 1.2.3 Гармонический датчик
- 2 См. Также
- 3 Примечания
- 4 Ссылки
- 5 Дополнительная литература
Приближение слабого поля
уравнение поля Эйнштейна (EFE), описывающее геометрию пространства-времени, дается как (с использованием натуральных единиц )
где - тензор Риччи, - это скаляр Риччи, - энергия-импульс тензор, а - это пространство-время метрический тензор, представляющий t решения уравнения.
Хотя кратко, если записано с использованием нотации Эйнштейна, внутри тензора Риччи и скаляра Риччи скрыты исключительно нелинейные зависимости от метрики, которые дают возможность найти точные решения непрактично в большинстве систем. Однако при описании конкретных систем, для которых кривизна пространства-времени мала (это означает, что члены EFE, которые являются квадратичными в не вносят значительного вклада в уравнения движения), решение уравнений поля можно смоделировать как метрику Минковского плюс небольшой член возмущения . Другими словами:
В этом режиме замена общей метрики на это пертурбативное приближение приводит к упрощенному выражению для тензора Риччи:
где - это след возмущения, обозначает частную производную по координате пространства-времени, а - это d Аламбер оператор.
Вместе со скаляром Риччи
левая часть уравнения поля сводится к
и, таким образом, EFE сводится к линейному уравнению в частных производных второго порядка в терминах .
Калибровочная инвариантность
Процесс разложения общего пространства-времени на Метрика Минковского плюс член возмущения не уникальна. Это связано с тем, что разные варианты выбора координат могут давать разные формы для . Чтобы уловить это явление, вводится применение калибровочной симметрии .
Калибровочные симметрии - это математический аппарат для описания системы, которая не изменяется, когда базовая система координат "сдвигается" на бесконечно малую величину. Таким образом, хотя метрика возмущения не определяется единообразно для разных систем координат, общая система, которую она описывает.
Чтобы зафиксировать это формально, неединственность возмущения представляется как следствие разнообразия набор диффеоморфизмов в пространстве-времени, которые оставляют достаточно малым. Следовательно, для продолжения требуется, чтобы был определен в терминах общего набора диффеоморфизмов, а затем выберите подмножество из них, которое сохраняет малый масштаб, необходимый для приближения слабого поля. Таким образом, можно определить для обозначения произвольного диффеоморфизма, который отображает плоское пространство-время Минковского в более общее пространство-время, представленное метрикой . При этом метрика возмущения может быть определена как разница между откатом и метрикой Минковского:
Диффеоморфизмы , таким образом, может быть выбран так, что .
Если задано векторное поле , определенное на плоское, фоновое пространство-время, дополнительное семейство диффеоморфизмов можно определить как те, которые генерируются и параметризовано . Эти новые диффеоморфизмы будут использоваться для представления преобразований координат для "бесконечно малых сдвигов", как обсуждалось выше. Вместе с , семейство возмущений задается формулой
Следовательно, в пределе ,
где - производная Ли вдоль векторного поля .
Производная Ли дает окончательное калибровочное преобразование метрики возмущения :
, которые точно определяют набор метрик возмущений, описывающих одну и ту же физическую систему. Другими словами, он характеризует калибровочную симметрию линеаризованных уравнений поля.
Выбор калибровки
Используя калибровочную инвариантность, можно гарантировать определенные свойства метрики возмущения путем выбора подходящего векторного поля .
Поперечный калибр
Чтобы изучить, как возмущение искажает измерения длины, полезно определить следующий пространственный тензор:
(Обратите внимание, что индексы охватывают только пространственные компоненты: ). Таким образом, используя , пространственные компоненты возмущения можно разложить как
где .
Тензор по построению бесследный и называется деформацией, поскольку он представляет собой величину, на которую возмущение растягивает и сжимает измерения пространства. В контексте изучения гравитационного излучения деформация особенно полезна при использовании с поперечным датчиком. Эта калибровка определяется выбором пространственных компонентов для удовлетворения соотношению
затем выбирая компонент времени , чтобы удовлетворить
После выполнения калибровочного преобразования с использованием формулы из предыдущего раздела деформация становится пространственно поперечной:
с дополнительным свойством:
Синхронный датчик
Синхронный датчик упрощает метрику возмущения, требуя, чтобы метрика не искажала измерения времени. Точнее, синхронный калибр выбирается таким образом, чтобы непространственные компоненты были ноль, а именно
Этого можно достичь, потребовав компонент времени для удовлетворения
и требование, чтобы пространственные компоненты удовлетворяли
Гармонический датчик
гармоническая калибровка (также называемая калибровкой Лоренца) выбирается всякий раз, когда необходимо максимально сократить линеаризованные уравнения поля. Это можно сделать, если выполняется условие
верно. Для этого необходимо, чтобы удовлетворял соотношению
Следовательно, используя гармоническую калибровку, тензор Эйнштейна сводится к
Следовательно, записывая это в терминах метрики с обратным следом, , линеаризованные уравнения поля сводят to
Что может быть решено точно с помощью волновые решения, которые определяют гравитационное излучение.
См. Также
Примечания
- ^Предполагается, что фоновое пространство-время является плоским. Теория возмущений, применяемая в уже искривленном пространстве-времени, может работать так же хорошо, если заменить этот термин метрикой, представляющей искривленный фон.
- ^Не путать с Лоренцем.
Ссылки
Дополнительная литература
- Шон М. Кэрролл (2003). Пространство-время и геометрия, введение в общую теорию относительности. Пирсон. ISBN 978-0805387322.