Tappava vektori

On matematiikka , joka on tappaminen vektori , tai tappaminen kenttä , on vektori kenttä on (pseudo) Riemannin jakoputken , joka säilyttää metrinen tämän moninaisia ja korostaa sen jatkuva symmetrioita.

Intuitiivisesti Killing vektori voidaan pitää ” siirtymä kentän  ” , toisin sanoen liittämällä pisteen M jakoputken pisteen M ' määritellään siirtymisen M kaarta pitkin, joka kulkee M jonka on tangentti. Sen perusominaisuus on, että tämä kenttä edustaa isometriaa , toisin sanoen se säilyttää etäisyydet. Näin ollen kahden pisteen välisen etäisyyden M ja N on yhtä suuri kuin etäisyys välillä niiden kuvien M ' ja N' vaikutuksesta .

Sellainen pinta (ulottuvuuden 2 vaihtelu), jonka katsotaan uppoutuneen kolmiulotteiseen tilaan, antaa tällaisen kentän esimerkiksi tehdä siitä "liukuvan" itselleen ilman, että se repeytyy tai rypistyy.

Tämän ominaisuuden matemaattista muotoilua kutsutaan Killing-yhtälöksi . Se toteaa, että Lie johdannainen Riemannin metriikan suhteen tappaminen vektori on nolla, toisin sanoen mikä tahansa koordinaatistossa ,

,

D on metriikkaan liittyvä kovariaattinen johdannainen .

Tästä päätellään tietty määrä ominaisuuksia, jotka liittyvät tappamisvektoreihin.

Historia

Eponyymi Vektorin on Wilhelm KJ tappaminen (1847-1923), saksalainen matemaatikko, joka esitteli sen vuonna1892.

Ominaisuudet

Eroavaisuudet

Supistamalla Killing-yhtälö metriikan kanssa saamme välittömästi:

.

Tappovektori on aina nolla divergenssi .

Liikkeen vakiot

Piste tuote on tappaminen vektorin kanssa tangentti on geodeettisen on vakio pitkin polkua. Jos merkitsemme tätä tangenttivektoria, meillä on

,

operaattori edustaa derivaatta erään affiini parametri on geodeettisen.

Esittely

Operaattori voi kirjoittaa itsensä uudelleen geodeettisen määritelmän mukaisesti,

.

Joten meillä on

.

Käyttämällä Leibnizin johdannaissääntöä saadaan sitten

.

Tasa-arvon toinen termi on nolla. Itse asiassa geodesian määritelmä on itse asiassa se, että sen tangenttivektori pidetään geodeettista pitkin, ts.

.

Myös tasa-arvon ensimmäinen termi on nolla. Todellakin, Killing-yhtälö osoittaa, että tensori on antisymmetrinen. Sen supistuminen symmetrisen tensorin kanssa on siten nolla. Joten meillä on

.  

Tämä ominaisuus on erityisen hyödyllinen integroimalla geodeettinen yhtälö. Todellakin, että on olemassa riittävä määrä tappaminen vektorien sitten mahdollistaa esiintyy riittävä määrä liikkeen vakioita , jotka mahdollistavat välittömän ja selvästi resoluutio geodeettisen yhtälö . Yksinkertainen esimerkki on Schwarzschild-metriikka , joka on sekä pallomaisesti että staattisesti symmetrinen . Ensimmäisen ominaisuuden avulla voidaan näyttää kaksi tappovektoria ja toisessa toinen tappovektori. Liikkeen vakiot liittyvät kulmamomentin standardiin , sen projektioon akselia pitkin ja määrään, jossa ei- relativistinen lähestymistapa voidaan identifioida hiukkasen energian kanssa. Täten klassisen mekaniikan tavanomaiset energiansäästö- ja kulmamomenttilakit muunnetaan yleiseksi suhteellisuusteollisuudeksi tappovektoreiden olemassaolon avulla.

Suhde Riemannin tensoriin

Ottamalla Killing-yhtälön derivaatti ja käyttämällä kovariaattijohdannaisten kytkentäominaisuuksia saadaan yhtälö, joka liittää Killing-vektorin toisen johdannaisen Riemannin tensoriin . Tämä suhde on kirjoitettu:

. Esittely

Killing-yhtälöstä suoritamme ylimääräisen johdannan. Siksi saamme:

.

Kovariaattiset johdannaiset eivät yleensä liiku työmatkalla, mutta ne voidaan vaihtaa, jos lisätään niihin ylimääräinen termi Riemannin tensorin avulla (tämä on jopa Riemannin tensorin määritelmä):

.

Saamme näin

.

Voimme kirjoittaa tämän yhtälön uudelleen suorittamalla permutaatioita indekseille a , b ja c  :

. .

Ottamalla näiden kolmen yhtälön summa saadaan

.

Bianchin ensimmäisen identiteetin ansiosta oikeanpuoleisen jäsenen ehdot sulkevat toisensa. Joten meillä on

.

Vähentämällä tämä ensimmäisestä tasa-arvosta, johon liittyy Riemannin tensori, se tulee

.  

Tällä suhteella on useita mielenkiintoisia seurauksia:

Suhteet Noetherin lauseeseen

Tappavan vektorin supistuminen energia-momentti-tensorin kanssa mahdollistaa vektorin, jolla ei ole divergenssiä.

Esittely

Todellakin, määrän ero antaa

.

Ensimmäinen termi on nolla, koska se on symmetrisen tensorin ( ) ja antisymmetrisen tensorin ( Killing-yhtälön mukaan) supistuminen . Toinen termi on myös nolla, koska energian tensorimomentti on nollan divergenssin määritelmä ( ). Joten meillä on

.  

Tämän nolladivergenssivektorin olemassaolo mahdollistaa sitten konservoitujen suuruuksien määrittelemisen Noetherin lauseen avulla .

Että Minkowskin tilaan ja suorakulmaiset koordinaatit , vektori , jota merkitään on tappaminen vektori, joka yksinkertaisesti sanoo, että Minkowskin tila on translaation muuttumaton ajan. Tämä tarkoittaa sitten energian säästämistä . Samoin vektorit ovat myös tappavia vektoreita. Siihen sisältyy vauhdin säilyttäminen . Mikään näistä vektoreista ei kuitenkaan ole tappava vektori laajenevassa maailmankaikkeudessa . Tämä on syy, miksi sähkömagneettisen säteilyn energiaa ei ole säilynyt ajan myötä: se on punasiirtymäilmiö . Yleensä tappajavektoreita ei välttämättä ole missään aika-ajassa . Tämä tarkoittaa, että yleisessä suhteellisuusteollisuudessa ei ole energiansäästöä, paitsi erityistapauksissa, kuten asymptoottisesti tasaisissa tiloissa .

Myös Minkowskin tilaa, vektorit , , ovat myös tappaminen vektoreita. Näiden vektorien olemassaolo merkitsee kulmamomentin säilymistä . Samoin vektorit ovat kolme tappavaa vektoria. Ei-relatiivisessa raja- arvossa ne vastaavat määrää , toisin sanoen i : n koordinaatin arvoa tällä hetkellä . Nämä vektorit, lukumäärältään 10, muodostavat kaikki tappovektorit lineaarisesti riippumatta Minkowski-avaruudesta.

Lie-algebra Killing-vektoreista

Lie koukku kaksi tappaminen vektoreita ja on myös tappaminen vektori

Esittely

Par koukun Lie koukku on kirjoitettu komponentteina,

.

Jotta tämä vektori olisi tappava vektori, sen täytyy ja riittää, että se täyttää tappamisyhtälön. Siksi laskemme

.

Termejä, jotka sisältävät kahden ensimmäisen johdannaisen tuotteita, voidaan manipuloida käyttäen Killing-yhtälöä ja niin, että indeksi c ei liity kovariaattijohdannaiseen, vaan vektoriin. Joten meillä on

,

koska ehdot peruuttavat toisensa. Toisten johdannaisten sisältäville termeille Killingin yhtälöitä käytetään myös poistamaan c- indeksi kovariaattijohdannaisista. Meillä on

Tunnistamme kovariaattisten johdannaisten kommutaattorin, jonka voimme kirjoittaa uudelleen Riemannin tensorilla  :

.

Käyttämällä lopulta antisymmetriasuhteita Riemannin tensorin kahdella indeksiparilla ja kääntämällä hiljaiset indeksit c ja d yhteen tuloksen kahdesta jäsenestä, saadaan

. Joten kahden Killing-vektorin Lie-koukku on myös Killing-vektori.  

Tämä antaa mahdollisuuden varustaa Killing-vektorien tila Lie-algebra- rakenteella . Yleisesti suhteellisuusteoria on, että tämän kautta suoritetaan tiettyjä aika-aikojen luokituksia, kuten edellä mainittu Bianchi-luokitus, joka koskee nelidimensionaalisia avaruusaikoja, joiden tilalohkot ovat homogeenisia .

Yhteensopiva muutos

Aikana conformal muutos , Killing vektori menettää perusominaisuus ja ei enää täytä Killing yhtälö. Se täyttää kuitenkin toisen yhtälön, joka voi joissakin tapauksissa osoittautua mielenkiintoisiksi. Sitten puhumme konformisesta tappavektorista .

Staattinen aika-aika

On yleinen suhteellisuusteoria , tila-aika (tai sen alueen) sanotaan olevan staattinen, jos se sallii aika-tyypin tappaminen vektori, joka voidaan nähdä normaalin hyperpintoja. Tätä varten Killing-yhtälön lisäksi Killing-vektorin on oltava verrannollinen gradienttiin (hyperpinnat voidaan nähdä alueina, joissa tietty parametri on vakio). Tämä viimeinen ehto kirjoitetaan muodossa

,

jonka todistamme Frobeniuksen lauseen ansiosta . Neliulotteisessa avaruudessa tämä ehto on sitten vastaava siihen liittyvän kaksoismuodon kanssa ,

,

missä on täysin antisymmetrinen tensori kaikissa indekseissään.

Schwarzschild metriikka on esimerkki staattinen tila-aika-alueen ulkopuolella Schwarzschildin säde . Reissner-Nordström metrinen on sama ominaisuus. Tällaisten välilyöntien metriikka voidaan kirjoittaa tiettyyn koordinaatistoon muodossa

.

Staattisuus näkyy:

  1. Sillä, että metriikka ei riipu koordinaatista t (Killing yhtälö)
  2. Sillä, että termeissä (ortogonaalisuus hyperpintoihin) ei ole termejä

Kiinteä aika-aika

Aika-ajan sanotaan olevan paikallaan, jos se sallii aikatyyppisen tappovektorin ilman, että viimeksi mainitulla olisi ortogonaalisuuden ominaisuus hyperpintoihin. Edellisessä koordinaatistossa siihen liittyvä mittari on yleisempi:

.

Aksymmetrinen aika-aika

Aika-ajan sanotaan olevan aksymmetrinen, jos se on paikallaan (sillä on siis aikamainen tappovektori , katso edellä) ja sillä on toinen avaruuden kaltainen tappovektori, jonka virtaus muodostaa suljetut käyrät ja joka kulkee edellisen kanssa:

.

Kerr metrinen ja Kerr-Newman metrinen ovat tunnettuja esimerkkejä aksisymmetrinen mittareita. Sanoi bivector , ilmeisistä syistä, tappamisen tärkeä rooli todisteiden singulariteetti lauseet .

Aika-aika suurimmalla symmetrialla

Aika-ajan sanotaan olevan suurimmalla symmetrialla - tai maksimaalisesti symmetrisellä  - jos sillä on enimmäismäärä tappovektoreita, nimittäin: missä on aika-ajan ulottuvuuksien lukumäärä.

Yleistykset

Killing-yhtälötyypin yhtälö voidaan yleistää korkeamman asteen tensoreihin . Sitten puhutaan valitun yleistyksen mukaan tappotensorista tai Killing-Yano-tenorista . In puitteissa teoreemojen erikoisen , joskus käyttöön käsite Killing bivector , muodostetaan kahdella Killing vektoreita.

Huomautuksia ja viitteitä

Huomautuksia

  1. Termi vektori on väärinkäyttöä klassisen kielen fysiikan, joka helposti rinnastetaan elementti ja asettaa, vektori ja vektorien kentän .
  2. konservoitunut määrä on Lorentzin tekijä γ, joka on vakio yhtä ei-relativistisen rajoitettu summa massa energian ja liike-energia .
  3. Relativistisessa tapauksessa konservoitunut määrä on sijainti kerrottuna Lorentz-kertoimella , joka itse on konservoitunut määrä, koska se on tappovektori (katso yllä).

Viitteet

  1. Alkseevskiĭ 1995 , s.  391, pylväs  2 .
  2. Penrose 2007 , .  14 , §  14.7 , s.  312.
  3. Taillet, Villain and Febvre 2018 , sv Killing (vector of), s.  411, pylväs  1 .
  4. Hawkins 2000 , luku.  4 , §  4.5 , s.  128, n.  20 .
  5. Hawkins 2000 , s.  530.
  6. Misner, Thorne ja Wheeler 1973 , luku.  25 ,  25.2 § , s.  650, n.  historioitsija. .
  7. Misner, Thorne ja Wheeler 1973 , s.  1238, col.  1 .
  8. Tappaminen 1892 , s.  167.
  9. Peter ja Uzan vuonna 2012 , 2 e  käsin. , luku.  3 , lahko. 3,6 , §  3.6.1 , s.  176.
  10. Barrau ja Grain 2016 , luku.  7 , lahko. 7.1 , §  7.1.2 , s.  129.
  11. Heyvaerts 2012 , luku .  10 , lahko. 10.2 , §  10.2.1 , s.  142.
  12. Carroll 2019 , luku.  3 , §  3.9 , s.  140.
  13. Hawking ja Ellis 1973 , luku.  2 , §  2.6 , s.  44.

Katso myös

Bibliografia

Kurssioppaat Sanakirjat ja tietosanakirjat
  • [Alkseevskiĭ 1995] (en) DV Alkseevskiĭ , "  Killing vector  " , julkaisussa M. Hazewinkel ( toim. ), Encyclopaedia of mathematics , t.  III  : Hea - äiti , Dordrecht ja Boston, Kluwer Academic ,1995, 1 st  ed. , 1  til. , 950  Sivumäärä , sairas. , 30  cm ( ISBN  1-556-08010-7 , EAN  9781556080104 , OCLC  36916612 , DOI  10.1007 / 978-1-4899-3793-3 , SUDOC  030252288 , online-esitys , lue verkossa ) , sv Killing vector [" Killing vector " ”], S.  391-392.
  • [Taillet, Villain ja Febvre 2018] R. Taillet , L. Villain ja P. Febvre , Fysiikan sanakirja , Louvain-la-Neuve, De Boeck Sup. , paitsi coll. ,Tammikuu 2018, 4 th  ed. ( 1 st  ed. Toukokuu 20081  til. , X -956  Sivumäärä , sairas. ja kuva. , 17 × 24  cm ( ISBN  978-2-8073-0744-5 , EAN  9782807307445 , OCLC  1022951339 , SUDOC  224228161 , online-esitys , lue verkossa ) , sv Killing (vector of), s.  411, pylväs  1.
Alkuperäinen artikkeli

Aiheeseen liittyvät artikkelit

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