反德西特空间

✍ dations ◷ 2025-04-26 12:14:38 #微分几何,广义相对论的精确解

数学与物理学中,一个维反德西特空间(英语:Anti-de Sitter space),标作AdS为一最大对称的洛伦兹流形,具有负常数的数量曲率。其为双曲空间的洛伦兹类比,一如闵可夫斯基空间与德西特空间(英语:De Sitter space)分别为欧几里得空间与椭圆空间的类比。

反德西特空间最知名的应用是在AdS/CFT对偶。“德西特”是以威廉·德西特(1872–1934)为名,他与阿尔伯特·爱因斯坦于1920年代一同研究宇宙中的时空结构。

以广义相对论的语言来说,反德西特空间为爱因斯坦场方程的最大对称真空解,其带有负的(吸引性)的宇宙常数 Λ {\displaystyle \Lambda } , )的空间。物理学的情形中,一维类时维度才有意义。由于标记习惯的不同,可写作(−1, 1)或(1, −1)。

广义相对论是描述时间、空间与重力之间关系的理论,其中重力是时空因物质或能量存在而弯曲的表现。质量与能量是等价,两者关系式为

其中为真空中光速。而时间与空间也是等价的,透过c可使两者单位一致。

广义相对论的效果常用一个类比方式来说明:一张弹性垫因为上面的重物而凹陷,经过重物附近的小球的行进路径因此受到影响,发生了路径的偏折。这样的效果在牛顿力学中视为一种“吸引力”。而“吸引力”是物体造成时空负曲率的表现;在弹性垫的例子,负曲率即类似于托里拆利小号形状的凹陷。广义相对论的特色也在于其将重力描述时空的弯曲,而非传统对力的描述(例如:电磁力)。

弹性垫的例子描述了二维空间因重力发生弯曲,背景为一个三维超空间,而第三维度对应到重力的影响。现实生活中则可类比地想作四维时空因重力发生弯曲,背景为五维超空间,而第五维度对应到重力与相关效应的影响。

较为大众所熟悉的牛顿万有引力定律

所描述的两物体因具有质量而彼此吸引,仅是广义相对论中重力效应的近似,在极端情形下则会失去预测精准度。两者其中之一差异在于广义相对论中,时空一同弯曲,而非仅只空间弯曲。平常情形下,时间的弯曲程度太小,以至于仪器无法区分牛顿重力理论与广义相对论的差别。

正常的德西特空间与广义相对论时空最基础的差义在于:即使没有物质或能量存在,德西特空间仍有一些些的弯曲。如此内生性的时空曲率可与宇宙常数以及暗能量的概念相连结。

类似于之前的例子,关于德西特空间一个常用的类比为:弹性垫置于一球面上而发生些微的弯曲,因为球面极大而此曲率很小。空的德西特空间带有些微排斥力,物质间的万有引力与此排斥力相抵抗。正常德西特空间对应到正的宇宙常数,与目前天文学观测相符,而宇宙常数的值与德西特空间的曲率等价。从另个角度来看,德西特空间的“自身能量”造成了宇宙加速膨胀。

反德西特空间与正常的德西特空间相异,在不存在物质或能量的情形下,时空曲率是呈现双曲形式的。

运用上面的类比例子:想像一块弹性垫置放于鞍面上而产生弯曲,因为这个鞍面极大所以弯曲程度极小。如此对应到负值宇宙常数,目前在现实生活中尚未观测到此现象。反德西特空间的效果是宇宙会加速坍缩。

一如正常德西特空间,反德西特空间的曲率与宇宙常数等价,尽管数值上两者分别为一正一负。

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