Представление сил в виде единых форм

Этот вопрос возник из-за моего первого вопроса « Интерпретация векторных полей как производных от физики» . Дело вот в чем: если какая-то сила Ф консервативен, то есть некоторое скалярное поле U что является потенциалом, так что мы можем написать Ф знак равно U .

Это прекрасно, там говорится, что сила — это ковектор, но суть в том, что когда мы начинаем думать об искривленных пространствах, то обычно вместо того, чтобы говорить о градиентах и ​​ковекторах, мы говорим о внешних производных и единых формах.

Тогда мой вопрос таков: если сила консервативна с потенциалом U тогда правильно представить силу одной формой, полученной внешней производной потенциала, другими словами, формой Ф знак равно г U ?

Во-вторых, если сила не является консервативной, правильно ли думать о ней как об одной форме? Но теперь какая интерпретация?

Я попытался дать такую ​​интерпретацию: предположим, мы имеем дело с некоторым многообразием М и предположим, что ( В , Икс ) представляет собой координатную карту. затем { г Икс я } охватывает кокасательное пространство, и поэтому, если мы интерпретируем некоторую силу в точке п как некая форма Ф е Т п * М тогда у нас будет Ф знак равно Ф я г Икс я используя правило суммирования.

Теперь, если я возьму некоторый вектор в е Т п М мы можем вычислить Ф ( в ) знак равно Ф я г Икс я ( в ) , Однако, г Икс я ( в ) знак равно в я и, следовательно Ф ( в ) знак равно Ф я в я и поэтому мой вывод таков: если я интерпретирую силу в точке как единую форму в точке, то это будет форма, которая при заданном векторе дает работу, совершаемую для перемещения частицы в направлении заданного вектора.

Таким образом, если сила меняется от точки к точке, я мог бы представить ее как поле одной формы, которое можно интегрировать по некоторому пути, чтобы найти общую проделанную работу.

Может ли кто-нибудь ответить на эти вопросы и сказать мне, правильный ли мой вывод?

О нерелятивистском рассмотрении заряженной частицы на трехмерном римановом многообразии см. например , этот пост Phys.SE.

Ответы (3)

Чтобы понять, что такое ньютоновское силовое поле, давайте рассмотрим второй закон Ньютона.

Ф знак равно м а
Это приводит к следующему дифференциально-геометрическому соотношению
( м д ˙ ) знак равно Ф д ˙
куда м : Т М Т * М отображает пространство скорости в пространство импульса и д : я р М это траектория.

Силовое поле оказывается картой

Ф : Т М Т Т * М

Позволять

π : Т * М М Π : Т Т * М Т * М
— проекции расслоения.

затем

м знак равно Π Ф Т π Ф знак равно я г Т М

Последнее уравнение является эквивалентом условия полураспыления и говорит нам, что мы имеем дело с полем второго порядка.

потому что пучки Т Т * М а также Т * Т М естественно изоморфны - в координатах мы просто меняем местами компоненты ( Икс , п ; в , ф ) ( Икс , в ; ф , п ) - мы можем представить его в виде дифференциальной формы на Т М , который является просто дифференциалом г л функции Лагранжа (уравнения Эйлера-Лагранжа являются ньютоновскими уравнениями движения).

Теперь пространство ньютоновских силовых полей имеет не естественную структуру векторного пространства, а скорее аффинную структуру. Вам нужно указать нулевую силу — силу инерции — чтобы превратить ее в единицу. Такую силу может, например, дать геодезический аэрозоль общей теории относительности.

Как только это будет сделано, вы можете представить силовое поле как часть пучка отвода. т * ( Т * М ) куда т : Т М М . Это ковекторное поле, зависящее от скорости, которое вы действительно можете проинтегрировать или вывести из потенциальной функции (в случае независимости от скорости).


Теперь для тех, кому не нравится этот уровень абстракции, давайте попробуем более практичный подход:

Геометрически ускорение определяется выражением ( Икс , в ; в , а ) е Т Т М . Однако это пространство имеет неправильную структуру — если мы добавим два ускорения, действующих на одну и ту же частицу, мы получим ( Икс , в ; 2 в , а + а ) , что больше не является действительным ускорением.

Вместо этого нам нужны векторы ( Икс ; а ) е Т М или же ( Икс , в ; а ) е т * ( Т М ) в случае ускорений, зависящих от скорости, и рецепт, как перейти от них к нашему исходному ускорению, как это происходит в нашем уравнении движения.

Итак, давайте предположим, что наше ускорение не зависит от скорости и представлено как ( Икс ; а ) е Т М . Подняв вектор вертикально на ( Икс ; в ) е Т М , мы приходим к ( Икс , в ; 0 , а ) е Т Т М . Чего «не хватает», так это горизонтальной составляющей ( Икс , в ; в , 0 ) е Т Т М .

Хотя такой горизонтальный подъем в координатах выглядит тривиально, он не является «естественной» операцией в дифференциальной геометрии. Вы можете исправить это двумя очевидными способами, либо предоставив соединение (тривиально увидеть, как это работает, если вы выберете геометрический подход из-за Эресманна), либо вручную указав «нулевое» ускорение из-за инерции.

Остается ответить на вопрос, почему мы используем силы вместо ускорений, или, сформулировав иначе, почему мы движемся в кокасательное пространство?

С точки зрения дифференциальной геометрии один из ответов на этот вопрос заключается в том, что мы хотим работать с потенциалами, которые являются менее сложными объектами, а дифференциал дает ковекторы вместо векторов.

Другой момент рассмотрения заключается в том, что Т Т * М , Т * Т М а также Т * Т * М естественно изоморфны, тогда как Т Т М не является. Эти изоморфизмы приводят к нескольким (более или менее) эквивалентным формулировкам аналитической механики, включая ньютоновский, лагранжевый и гамильтонов подход.

Приносим извинения за расширение сферы вопроса - не стесняйтесь игнорировать эти бессвязные фразы;)

Вау, очень подробно. На самом деле не рассматривал эту общность. Есть ли приложения этому?
@ Кристоф, действительно очень хороший ответ, такой подход к физике мне нравится. Можете ли вы порекомендовать мне какую-нибудь книгу, которая охватывает больше этих тем? Я имею в виду изучение физики с помощью строгой математики? Еще раз спасибо за ваш ответ.
Мне нравится ваш подход, но мне все кажется странным. Разве сила, естественно, не должна быть ковекторным полем? Ф : М Т * М и 2-й закон Ньютона грамм ( Ф , ) знак равно м а или что-то? Разве не естественно найти спрей таким образом?
@alexarvanitakis: я не знаю о приложениях; «интересные вещи» обычно делаются с использованием гамильтонова или лагранжевого подхода, которые идут с хорошо развитыми обобщениями
@ user1620696: если вас интересует именно этот подход, я не знаю никакой литературы (это не значит, что ее не существует) - это просто кое-что, что я понял, потому что меня всегда беспокоила эта ньютоновская механика. часто представляется как менее общий, не ковариантный подход, который работает только в трехмерном пространстве.
@cduston: давайте пока забудем о двойных пробелах; уравнение второго порядка д ¨ знак равно Д д ˙ говорит нам, что поле ускорений Д должен быть полураспылителем; проблема в том, что нет естественного способа получить такое векторное поле второго порядка из векторного поля первого порядка без дополнительной структуры (например, соединения)
Теперь я должен не согласиться с вашим дальнейшим объяснением; мы никогда не должны ожидать, что ускорения будут «добавляться», поскольку законы Ньютона гласят Ф знак равно м а , нет а знак равно Ф / м . Если вы хотите добавить поля второго порядка, я думаю, вам нужно сделать что-то вроде того, что вы предлагаете, но связывать это с механикой неправильно. Я думаю, что мой аргумент заключается в том, что без использования потенциала и связи обсуждение будет слишком неточным.
@кдастон: Ф я знак равно м Икс ¨ Икс ¨ знак равно а я за а я Ф я / м
Вы только что определили ускорение как 1-форму (если масса является скаляром), но ускорение, естественно, является второй производной положения. Вы выходите из этого выше, определяя массу как изоморфизм двойственности, но это, кажется, меняет простоту на формализм. Нам не нужно продолжать болтать; моя точка зрения хорошо изложена в главе 3 книги Ровелли и Дирака «Квантовая гравитация» по механике, если кому-то интересно (и все еще слушает ;-))

На форумах по физике велась довольно продолжительная дискуссия о том, является ли сила естественно вектором или ковектором: http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=666861 .

Если вы определяете импульс как «то, что сопряжено с положением», то импульс — это ковектор. Т.е. если у вас есть лагранжиан, то:

п мю знак равно л Икс ˙ мю

Тогда силу можно интерпретировать как г п мю / г т . Или вы можете определить силу непосредственно из лагранжиана как:

Ф мю знак равно л Икс мю

В сочетании с приведенным вами аргументом о работе, где Вт знак равно Ф я г Икс я , кажется очень убедительным, что сила естественно интерпретируется как ковектор.

Точку пространства-времени необходимо обозначить через Икс мю ? Если я использую Икс мю для обозначения точки пространства-времени, тогда и импульс, и сила были бы вектором, а не ковектором. Единственное, что можно показать, что если Икс мю вектор Икс мю некоторой скалярной функции является ковектором. @Джолд
@SRS Икс мю не имеет никакого смысла в отсутствие метрики, поэтому Икс мю является более «естественным» представлением.

Все, что вы сказали, верно. Если сила не является консервативной, то она по-прежнему имеет смысл как 1-форма, хотя и не точная.

Отметим также, что условие × Ф знак равно 0 для силы, которая локально определяется потенциалом, можно записать как г Ф знак равно 0 чтобы Ф знак равно г U для некоторой функции U по лемме Пуанкаре.

В более общем смысле у нас есть потенциалы p-формы А которому мы связываем p+1-форму напряженности поля г Ф . Например, в электромагнетизме (снова!) мы можем объединить векторный и скалярный потенциалы в 1-форму в пространстве-времени (3+1=4), и результирующий тензор напряженности поля будет таким .