《二卷》對稱的能動密度張量推導(dǎo)
朗道和利弗希茲在《二卷》的里給出了對稱的能動密度張量
的表達(dá)式,這里我嘗試用微分幾何和Noether定理來給出說明。
一. 張量密度及其導(dǎo)數(shù)
為了之后方便表述, 先給出張量密度的概念。
由微分流形上的積分理論可知,在度規(guī)張量場下,4維Semi - Riemannian流形下的體元可以表示為
,?這里度規(guī)不一定是正定的,因此取絕對值。則標(biāo)量的積分可寫為
, 其中
稱為標(biāo)量密度,一般張量密度可表示為
,以上加tilde表示。
記在該度規(guī)下協(xié)變導(dǎo)數(shù)為,則根據(jù)聯(lián)絡(luò)系數(shù)
和度規(guī)分量
的關(guān)系,可以導(dǎo)出如下的關(guān)于張量密度的散度公式:
,
,其中協(xié)變導(dǎo)數(shù)用分號表示,普通偏導(dǎo)用逗號表示,下文記法一致。
同時還有高斯公式等,這里不再敘述。
二.?物質(zhì)場作用量等的變分
配合書里的內(nèi)容,記物質(zhì)場作用量為,其中
為拉格朗日量標(biāo)量密度。在局部坐標(biāo)系
下,變量分量形式為
,其中
為物質(zhì)場的運(yùn)動量,
為場度規(guī)在
坐標(biāo)系下的分量。
現(xiàn)在考慮無窮小坐標(biāo)變換,由
系變?yōu)?strong>
系,
為微小變量,是一個光滑切向量場
在局部坐標(biāo)系
下的分量。
按如下方式定義量的變分:考慮坐標(biāo)變換導(dǎo)致的差值,設(shè)生成的單參數(shù)變化群為
,
系 -?
系變換為其誘導(dǎo)坐標(biāo)變換,記其拉回映射的分量為?
,其余類似,則有:
,其中
按照定義為Lie導(dǎo)數(shù),其余的量類似。變分與偏導(dǎo)對易的原因?yàn)?,雖然交換后偏導(dǎo)可能變?yōu)閰f(xié)變導(dǎo)數(shù),因?yàn)檫@里
不是Killing場,
,但是由于在Semi - Riemannian流形下
,因此導(dǎo)數(shù)只可能是普通偏導(dǎo),因而可對易。一般而言變分的定義為Lie導(dǎo)數(shù),由單參群給出。
根據(jù)Lie導(dǎo)數(shù)的性質(zhì),可知,可以從泰勒展開或者Lie導(dǎo)數(shù)求值公式得出,此處不具體展開。
三.?具體變分計(jì)算
由最小作用量原理可知,在下可以對描述運(yùn)動的量
得出相應(yīng)的歐拉-拉格朗日方程
,因此這里可以忽略量
而只研究度規(guī)
的分量變化對作用量變分的影響。
由此,拉格朗日量標(biāo)量密度變?yōu)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=%5Ctilde%7B%5CLambda%7D(x)%3D%20%5Ctilde%7B%5CLambda%7D(%20g_%7B%5Cmu%20%5Cnu%7D(x)%2C%20%5Cpartial_%7Bl%7D%20g_%7B%5Cmu%20%5Cnu%7D(x))" alt="%5Ctilde%7B%5CLambda%7D(x)%3D%20%5Ctilde%7B%5CLambda%7D(%20g_%7B%5Cmu%20%5Cnu%7D(x)%2C%20%5Cpartial_%7Bl%7D%20g_%7B%5Cmu%20%5Cnu%7D(x))">。而因?yàn)镾是標(biāo)量,因此其在坐標(biāo)變換下不變,即總是成立,是為第一條件。
現(xiàn)在可以用這個條件將分為兩部分
,其中
為坐標(biāo)變換的誘導(dǎo)變分,
為對分量的變分。
由條件可知,,因此只需要考慮拉回映射導(dǎo)致的變分即可。
根據(jù)一般的變分理論,可計(jì)算得出,利用前文的對易性有
,這里默認(rèn)在
系內(nèi)計(jì)算。
打開偏導(dǎo)數(shù)有,第一項(xiàng)根據(jù)高斯公式以及物理場變分的基礎(chǔ)邊界條件,易知
,于是作用量的變分化為
定義能動密度張量密度的分量為,其中
為量綱系數(shù)。從度規(guī)的對稱性可知
,即它必然是對稱的。
帶入作用量有。利用
的對稱性可以將后面的求和改寫為
,即做對稱化運(yùn)算。
這里如此定義坐標(biāo)變換下的Noether流密度:,由一中的結(jié)論易得
,其中
為普通Nother流,全部都是在
系內(nèi)計(jì)算。根據(jù)Noether定理,Noether流守恒,這里表現(xiàn)為
,再加上
即可得出物質(zhì)場的守恒律
。
當(dāng)然此處的量綱系數(shù)可以通過與其他已知系統(tǒng)對比得出,比如電磁場能動密度張量,
??勺C明
,其中c是光速。
于是若不考慮相對論下的作用量表示,物質(zhì)場對空間幾何的對稱的能動密度張量定義為,
為拉格朗日量標(biāo)量密度,
為場度規(guī)坐標(biāo)系下的分量。
四.?能動贗張量的引入
由Noether定理易得,對于一個系統(tǒng)而言,其守恒律應(yīng)表現(xiàn)為,而非上文中的物質(zhì)場守恒律
。對于那些
的空間而言,比如閔可夫斯基四維時空,兩者是相同的?,但對于
的空間就不相同了,因此明顯我們在這里遺漏了場本身的能動密度張量,對于引力場而言就是能動贗張量。關(guān)于這個內(nèi)容可以參考我的另一篇專欄?CV20450046。
本文是根據(jù)朗道所用的方法,加上個人對梁老師書上所寫的內(nèi)容的理解所給出的推導(dǎo),如果有錯還請大家指出,感謝。