Принцип действия электромагнетизма и гравитации

Вот формула для тензора энергии напряжения:

Т мю ν "=" 2 | дет г | дельта С Е М дельта г мю ν
(Это следует из варьирования полного действия С "=" С ЧАС + С Е М , где С ЧАС "=" с 4 16 π г р | дет г мю ν | г 4 Икс является действием Гильберта и дает уравнения Эйнштейна, и С Е М — другие члены лагранжиана, которые вносят вклад в правую часть уравнений Эйнштейна в виде Т мю ν выше.) Лагранжиан электромагнитного поля:

С Е М 1 "=" 1 4 мю 0 Ф α β Ф α β | дет г | г 4 Икс

и, используя приведенную выше формулу, мы получаем для тензора энергии напряжения:

Т мю ν "=" 1 мю 0 ( Ф мю β Ф ν β 1 4 Ф α β Ф α β г мю ν )
что является правильным elmag. тензор энергии напряжения. Однако интерактивная часть elmag. Лагранжиан
С Е М 2 "=" Дж мю А мю | дет г | г 4 Икс
и если мы интерпретируем это как функцию г мю ν это также будет способствовать тензору энергии напряжения следующим образом:
дельта С Е М 2 "=" дельта Дж мю А мю | дет г | г 4 Икс "=" дельта ( г мю ν Дж мю А ν | дет г | ) г 4 Икс "="
"=" ( дельта г мю ν ) ( Дж мю | дет г | ) ) А ν г 4 Икс

где Дж мю | дет г | рассматривается как плотность тока (и, следовательно, не зависит от г мю ν при изменении), однако ясно, что соответствующий этому тензор энергии напряжения будет:

Т мю ν "=" 2 Дж мю А ν
(Возможно, вклад вносит только симметричная часть, поскольку антисимметричная часть сокращается с г мю ν , поэтому мы получили бы Т мю ν "=" Дж мю А ν + Дж ν А мю .) В любом случае такие члены должны появиться в правой части уравнений Эйнштейна. Однако я не думаю, что это правильно.

Кто-нибудь знает, что здесь не так?

Переменные, которые вы меняете, А мю и г мю ν . С А мю естественно появляется с пониженным индексом, вариация Дж мю А мю по обратной метрике равен нулю, если нет множителей г мю ν скрыто в Дж мю . Кроме того, вы упускаете фактор р это дает вам динамику гравитации, хотя это может быть сделано намеренно.
Привет Джерри, я думаю, что это все. (Да, я пропустил фактор р для уравнений Эйнштейна здесь.) Но откуда я знаю, что иногда мне нужно использовать г мю ν фактор (а затем изменить его), а иногда и нет? Мне кажется, что это совершенно произвольно.
Вы должны принять решение о том, какой термин вы собираетесь изменить. Нет никакого фактора г мю ν в А мю Дж мю , потому что А мю естественно появляется с индексом вниз. Этот термин представляет собой форму, действующую на вектор, которая происходит независимо от метрики. И Дж мю естественно является вектором, а не одной формой, потому что обычно определяется Дж мю дельта л с час а р г е г м а т т е р дельта А мю .
Таким образом, в естественном смысле нет никакой зависимости от метрики ни в одном члене.
Джерри, большое спасибо. То, что вы пишете, имеет для меня большое значение. Но как насчет такого термина, как п мю п мю (см. physics.stackexchange.com/questions/17604/… )? Может быть, потому что это смешанный термин с п мю и п мю нужно преобразовать его только для использования п мю (скажем), и каждый получает г мю ν п мю п ν и метрика (естественно?) есть. В то время как для термина, как Дж мю А мю "=" Дж мю А мю , метрики там естественно нет. Но я предполагаю, что мне действительно нужно предположить (указать) это заранее, верно?
Еще один вопрос: почему А мю естественно появляются с нижним индексом? Так ли это Ф мю ν "=" мю А ν ν А мю имеет оба индекса вниз? (Производная, естественно, с понижающим индексом, и для его повышения нужно использовать метрику, это мне понятно.)
@Ondrej: Вы получаете тот же источник тензора напряжений для уравнений Эйнштейна с любой позицией индекса, как я описываю в своем ответе. Нижний индекс дает чуть более простую вариацию, вот и все.
@Ondrej: но ты должен решить изменить тот или иной выбор. После того, как вы это исправили, вы решили, какие степени свободы являются полевыми, а какие состоят из операторов инверсии, операций возведения и т. д.
Вам может быть полезен раздел 48 "Теории пространства, времени и тяготения" В.А. Фока.

Ответы (3)

Комментарии Джерри Ширмера раскрывают вам основную идею, но я хотел бы изложить их более подробно и в форме ответов. Когда вы варьируете действие по отношению к А мю , вариант метрики не дает упомянутого вами нежелательного термина. Но если вы меняетесь относительно А мю , вы получаете этот член, и он не должен появляться в правой части уравнений Эйнштейна, поскольку мы уже знаем эти уравнения из версии вариации в форме A 1.

Но уравнения движения не должны заботиться о том, решите ли вы варьировать относительно А мю или относительно А мю , вы должны получить те же уравнения. Формально

дельта С "=" дельта С дельта г мю ν дельта г мю ν + дельта С дельта А мю дельта А мю

А уравнения Эйнштейна — это коэффициенты дельта г , а (векторный потенциал непустых) уравнения Максвелла являются коэффициентами дельта А .

Вариации в А мю , г мю ν может быть легко выражено через вариации А мю , г мю ν ,

дельта А ν "=" дельта А мю г мю ν + А мю дельта г мю ν

Что при выражении полной вариации действия линейно смешивает части Эйнштейна и Максвелла:

дельта С "=" ( дельта С дельта г мю ν + дельта С дельта А мю А ν ) дельта г мю ν + дельта С дельта А мю г мю ν дельта А ν

Где вариационные производные - это все старые вариационные производные по паре г мю ν , А мю удерживая другую фиксированной. Эти линейные комбинации дают новые вариации. Легко увидеть, что новые уравнения движения удовлетворяются тогда и только тогда, когда удовлетворяются старые, так что ничего не изменилось.

Новые уравнения Максвелла после умножения на обратную метрику остаются такими же, как и старые. Но в новом уравнении Эйнштейна есть дополнительный исходный член:

дельта С дельта А мю А ν

Этот дополнительный исходный член, очевидно, равен нулю согласно уравнениям Максвелла, но дельта С дельта А мю включает термин Дж мю , поэтому термин, который вас беспокоил, появляется здесь. Этот вариант дает правую часть уравнений Эйнштейна, которая включает дополнительное напряжение, которое включает исходный член, в форме уравнения Максвелла, умноженного на векторный потенциал.

( Д мю Ф мю ν Дж ν ) А мю

Но теперь очевидно, что вклад напряжения исчезает (как это всегда было, потому что это всего лишь вариация по разным переменным одного и того же действия).

О вариациях плотности

Ответ Джона вычисляет дополнительный член из различных г , но этого термина нет. Это по причине, объясненной в ответе на этот вопрос: Лагранжиан для вопросов о выводе релятивистской пыли .

Когда вы меняете метрику с помощью ЭМ и, скажем, заряженного источника пыли, вы держите Дж г зафиксированный. По той же причине, по которой плотность импульса остается фиксированной, вы сохраняете число мировых линий постоянным, когда меняете g, так что сохраняющиеся токи и заряды сохраняются при метрических вариациях.

Спасибо! Я думал о вашем ответе в «Лагранжиане для вопросов о выводе релятивистской пыли», и теперь мне ясно, что вам нужно придерживаться Дж г зафиксированный. Таким образом, вы не получаете никаких дополнительных терминов, исходящих из различных г , теперь понятно. Я подумаю над остальной частью вашего ответа в течение некоторого времени (и проработаю его сам, чтобы хорошо его понять), прежде чем принять его.
Исправление: дельта А н ты выше должно быть дельта ( А мю г мю ν ) .
@Ondrej: да, это была текстовая опечатка для дельта А ν зафиксированный.

Я думаю, что в выражении

С Е М 2 "=" Дж мю А мю г г 4 Икс
Вы должны получить также определитель. Если вы сделаете это, вы получите
1 2 г ( Дж ν А мю + Дж мю А ν ) дельта г мю ν 1 2 г мю ν г Дж А дельта г мю ν .
Итак, вы получите
Т мю ν ( 2 ) "=" 2 г дельта С Е М 2 дельта г мю ν "=" ( Дж ν А мю + Дж мю А ν ) + г мю ν Дж А .
Это должен быть правильный результат.

Формула энергии напряжения Т мю ν ( 2 ) "=" 2 г дельта С Е М 2 дельта г мю ν так что вы не получите 1 2 в финальном ответе.
Если определитель тоже нужно варьировать, то ваш вывод верен (хотя Дирак его не меняет). Однако я никогда раньше не видел такого тензора энергии напряжения (состоящего из Дж и А ). Только Т мю ν "=" 1 мю 0 ( Ф мю β Ф ν β 1 4 Ф α β Ф α β г мю ν ) . Есть ли у вас какой-нибудь указатель на литературу по этому поводу? Какова его физическая интерпретация?
Небольшой комментарий: я думаю, что вы ошиблись с общим знаком, есть минус в действии, минус в определении тензора энергии напряжения и минус в изменении определителя, поэтому я думаю, что правильный ответ
Т мю ν ( 2 ) "=" 2 г дельта С Е М 2 дельта г мю ν "=" + ( Дж ν А мю + Дж мю А ν ) г мю ν Дж А .
. Но в любом случае, знак не важен для этого обсуждения.
Спасибо, я исправил коэффициент 1/2. Вы можете проверить здесь en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_equations_in_curved_spacetime . Член взаимодействия дает вклад в правую часть уравнений Эйнштейна. Это можно понимать как наличие зарядовой материи, которая добавляет вклад в тензор энергии напряжения.
Спасибо. Чтобы мы понимали друг друга, вы говорите, что правая часть уравнений Эйнштейна будет содержать: Т мю ν ( 1 ) + Т мю ν ( 2 ) , где Т мю ν ( 1 ) "=" 1 мю 0 ( Ф мю β Ф ν β 1 4 Ф α β Ф α β г мю ν ) и Т мю ν ( 2 ) "=" ( Дж ν А мю + Дж мю А ν ) + г мю ν Дж А . Я зашел на вики, и я вижу там Т мю ν ( 1 ) срок, но не Т мю ν ( 2 ) срок. Я что-то пропустил?
Вот что я имею в виду. Материя также может быть заряжена, и это необходимо учитывать в уравнениях Эйнштейна.
Благодарю за разъяснение. у меня есть сомнения по поводу Т мю ν ( 2 ) термин -- я никогда не видел его (дайте мне знать, если я пропустил его в вики). На самом деле не имеет значения, меняете ли вы определитель или нет (он просто добавляет Дж А срок). Заряженное вещество влияет на элмаг. само поле( А мю соотв. Ф мю ν ), который является частью Т мю ν ( 1 ) тензор, зарядовая материя учитывается через Ф мю ν поле уже. Но меня смущает, почему нет такого термина, потому что кажется, что его подсказывает вариационный принцип.
Я не совсем понял ваши последние предложения. Если у вас есть заряженное вещество, например сферический заряженный объект, вам необходимо учесть это в уравнении Эйнштейна, и оно не содержится в тензоре энергии электромагнитного напряжения. Вы сможете лучше понять это, если учтете, что ковариантная производная правой части уравнений Эйнштейна даст вам уравнения движения материи. Вы должны наложить мю Т мю ν "=" 0 .
Джон, насколько я понимаю, заряженная материя создает поле элмага. Ф мю ν через правую часть уравнений Максвелла (содержащую Дж мю ). Таким образом, зарядовая материя порождает Ф мю ν . Этот Ф мю ν уже является частью Т мю ν ( 1 ) , и как таковой он уже учитывается в уравнениях Эйнштейна. Другими словами, заряженная материя искривляет пространство-время из-за своей массы, а также из-за своего заряда/токов. Существует ли также термин Т мю ν ( 2 ) это другой вопрос. Если вы знаете какую-либо литературу или веб-страницу об этом, пожалуйста, укажите мне.

На самом деле ваша исходная формула неверна: дельта ( С Е М ) / дельта ( г ( ты , в ) ) должно быть дельта ( л Е М / дельта ( г ( ты , в ) ) , где л (лагранжиан) — это то, что интегрируется по пространству, чтобы получить действие С .

Дело в яблоках и апельсинах: действие есть интеграл лагранжиана, дельта (действие) остается числом, а не функцией пробела, как требуется.

Интересно, что и в книге Уолда, и в книге MTW это неправильно, как и у вас, так что это понятно. Если вы посмотрите на другие источники по лагранжевой теории поля или даже на статью в Википедии о тензоре энергии-импульса при тензоре энергии-импульса Гильберта, то увидите, что они верны, принимая дельту функции плотности L, а не ее интеграл, S, при определении тензора энергии-импульса (который является пространственной функцией).

Это не влияет на вашу работу над задачей, но примечательно, что эти два широко используемых учебника по ОТО написали эту вещь, которая не имеет смысла, и все просто принимают это и продолжают действовать так, как будто это имеет смысл. Студенты очень приветливые люди.

Можете ли вы быть более конкретным и использовать нотацию Latex, чтобы написать то, что, по вашему мнению, должно быть правильной формулой? Я думаю, что то, что я написал, правильно. Вы берете лагранжеву плотность , интегрируете по пространству-времени (четырехмерный интеграл), чтобы получить действие. Затем вы применяете функциональную производную к действию , а не к лагранжевой плотности. Насколько я знаю, это по крайней мере стандартное определение.