广义相对论中的数学

✍ dations ◷ 2025-07-11 17:09:12 #广义相对论的数学方法

在狭义相对论中,微积分、矩阵为其所用到的主要数学工具,配合闵可夫斯基时空的转换以及劳伦兹不变量的使用,粗略地描述了时、空的性质。当s'坐标系在s坐标系沿x轴作等速v运动时,其转换以以下方程表示:

其具有以下不变形式:

或者写成微分形式

在适当地选取坐标系可使 c = 1 {\displaystyle c=1}

对于牛顿力学中的动量、能量作了以下的修正:

其中

能量和动量有以下关系:

狭义相对论仅限于等速、时空可近似平坦地情况下,然而在讨论大尺度且有引力场的情况下,就必须使用广义相对论。

爱因斯坦认为,惯性坐标系并没有优于其他坐标系,一切的物理定律应在任何参考坐标系下皆成立,所有的变换应都是协变的。因此,在其论文中,大量地使用称之为张量(Tensor)的数学工具,其方程往往是非线性的,因此很难求解。

一小段弧长ds平方的不变式

d s 2 = g μ ν d x μ d x ν {\displaystyle ds^{2}=g_{\mu \nu }{dx^{\mu }}{dx^{\nu }}}

g μ ν {\displaystyle g_{\mu \nu }} 为度规张量

d x μ {\displaystyle {dx^{\mu }}} d x ν {\displaystyle {dx^{\nu }}} 为逆变张量


质点沿测地线运动,测地线方程可以用哈密顿原理或是平行位移(parallel transportation)等方式推导,以下为测地线方程:

d 2 x μ d s 2 + Γ ν σ μ d x ν d s d x σ d s = 0 {\displaystyle {\frac {d^{2}x^{\mu }}{ds^{2}}}+\Gamma _{\nu \sigma }^{\mu }{\frac {dx^{\nu }}{ds}}{\frac {dx^{\sigma }}{ds}}=0}

Γ ν σ μ {\displaystyle \Gamma _{\nu \sigma }^{\mu }} 为克里斯多福符号

在非欧式空间中,描述空间曲率的张量为黎曼-克里斯多福张量

R ν ρ σ β = Γ ν σ β x ρ Γ ν ρ β x σ + Γ ν σ α Γ α ρ β Γ ν ρ α Γ α σ β {\displaystyle R_{\nu \rho \sigma }^{\beta }={\frac {\partial \Gamma _{\nu \sigma }^{\beta }}{\partial x^{\rho }}}-{\frac {\partial \Gamma _{\nu \rho }^{\beta }}{\partial x^{\sigma }}}+\Gamma _{\nu \sigma }^{\alpha }\Gamma _{\alpha \rho }^{\beta }-\Gamma _{\nu \rho }^{\alpha }\Gamma _{\alpha \sigma }^{\beta }}

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