Ферматы и принципы изменения энергии в теории поля - Fermats and energy variation principles in field theory - Wikipedia

В общая теория относительности предполагается, что свет распространяется в вакуум вдоль нулевая геодезическая в псевдориманово многообразие. Помимо принципа геодезии в классическая теория поля Существует Принцип Ферма за стационарные гравитационные поля.^[1]

Принцип Ферма

В случае конформно стационарное пространство-время ^[2] с координаты ${\displaystyle (t,x^{1},x^{2},x^{3})}$ Ферма метрика принимает форму

${\displaystyle g=e^{2f(t,x)}[(dt+\phi _{\alpha }(x)dx^{\alpha })^{2}-{\hat {g}}_{\alpha \beta }dx^{\alpha }dx^{\beta }]}$,

где конформный фактор ${\displaystyle f(t,x)}$ зависит от времени ${\displaystyle t}$ и Космос координаты ${\displaystyle x^{\alpha }}$ и не влияет на легкий геодезические без их параметризации.

Принцип Ферма для псевдориманова многообразия утверждает, что путь светового луча между точками ${\displaystyle x_{a}=(x_{a}^{1},x_{a}^{2},x_{a}^{3})}$ и ${\displaystyle x_{b}=(x_{b}^{1},x_{b}^{2},x_{b}^{3})}$ соответствует стационарному действие.

${\displaystyle S=\int _{\mu _{b}}^{\mu _{a}}\left({\sqrt {{\hat {g}}_{\alpha \beta }{\frac {dx^{\alpha }}{d\mu }}{\frac {dx^{\beta }}{d\mu }}}}+\phi _{\alpha }(x){\frac {dx^{\alpha }}{d\mu }}\right)d\mu }$,

куда ${\displaystyle \mu }$ любой параметр в пределах интервал ${\displaystyle [\mu _{a},\mu _{b}]}$ и меняясь изгиб с фиксированными конечными точками ${\displaystyle x_{a}=x(\mu _{a})}$ и ${\displaystyle x_{b}=x(\mu _{b})}$.

Принцип стационарного интеграла энергии

В принципе стационарного интеграла энергии движения светоподобной частицы^[3] псевдориманова метрика с коэффициентами ${\displaystyle {\tilde {g}}_{ij}}$ определяется преобразованием

${\displaystyle {\tilde {g}}_{00}=\rho ^{2}{g}_{00},\,\,\,\,{\tilde {g}}_{0k}=\rho {g}_{0k},\,\,\,\,{\tilde {g}}_{kq}={g}_{kq}.}$

С координатой времени ${\displaystyle x^{0}}$ и пространственные координаты с индексами k, q = 1,2,3 то линейный элемент написано в форме

${\displaystyle ds^{2}=\rho ^{2}g_{00}(dx^{0})^{2}+2\rho g_{0k}dx^{0}dx^{k}+g_{kq}dx^{k}dx^{q},}$

куда ${\displaystyle \rho }$ - некоторая величина, принимаемая равной 1 и рассматриваемая как энергия светоподобной частицы с ${\displaystyle ds=0}$. Решение этого уравнения для ${\displaystyle \rho }$ при условии ${\displaystyle g_{00}\neq 0}$ дает два решения

${\displaystyle \rho ={\frac {-g_{0k}v^{k}\pm {\sqrt {(g_{0k}g_{0q}-g_{00}g_{kq})v^{k}v^{q}}}}{g_{00}v^{0}}},}$

куда ${\displaystyle v^{i}=dx^{i}/d\mu }$ являются элементами четырехскоростной. Даже если одно решение, в соответствии с приведенными определениями, ${\displaystyle \rho =1}$.

С ${\displaystyle g_{00}=0}$ и ${\displaystyle g_{0k}\neq 0}$ даже если для одного k энергия принимает форму

${\displaystyle \rho =-{\frac {g_{kq}v^{k}v^{q}}{2v_{0}v^{0}}}.}$

В обоих случаях для свободное перемещение частица Лагранжиан является

${\displaystyle L=-\rho .}$

Его частные производные дай канонические импульсы

${\displaystyle p_{\lambda }={\frac {\partial L}{\partial v^{\lambda }}}={\frac {v_{\lambda }}{v^{0}v_{0}}}}$

и силы

${\displaystyle F_{\lambda }={\frac {\partial L}{\partial x^{\lambda }}}={\frac {1}{2v^{0}v_{0}}}{\frac {\partial g_{ij}}{\partial x^{\lambda }}}v^{i}v^{j}.}$

Momenta удовлетворяет энергетическому условию ^[4]за закрытая система

${\displaystyle \rho =v^{\lambda }p_{\lambda }-L.}$

Стандарт вариационная процедура в соответствии с Принцип Гамильтона применяется к действию

${\displaystyle S=\int _{\mu _{b}}^{\mu _{a}}Ld\mu =-\int _{\mu _{b}}^{\mu _{a}}\rho d\mu ,}$

который является интегралом энергии. Стационарное действие обусловлено нулевыми вариационными производными δS/δx^λи приводит к Уравнения Эйлера – Лагранжа.

${\displaystyle {\frac {d}{d\mu }}{\frac {\partial \rho }{\partial v^{\lambda }}}-{\frac {\partial \rho }{\partial x^{\lambda }}}=0,}$

который переписывается по форме

${\displaystyle {\frac {d}{d\mu }}p_{\lambda }-F_{\lambda }=0.}$

После подстановки канонических импульсов и сил они дают ^[5] уравнения движения светоподобной частицы в свободное место

${\displaystyle {\frac {dv^{0}}{d\mu }}+{\frac {v^{0}}{2v_{0}}}{\frac {\partial g_{ij}}{\partial x^{0}}}v^{i}v^{j}=0}$

и

${\displaystyle (g_{k\lambda }v_{0}-g_{0k}v_{\lambda }){\frac {dv^{k}}{d\mu }}+\left[v_{0}\Gamma _{0ij}-v_{\lambda }\Gamma _{\lambda ij}\right]v^{i}v^{j}=0,}$

куда ${\displaystyle \Gamma _{kij}}$ являются Символы Кристоффеля первого вида и индексы ${\displaystyle \lambda }$ принимать ценности ${\displaystyle 1,2,3}$.

Статическое пространство-время

Для изотропные пути преобразование в метрику ${\displaystyle {\overline {g}}_{ij}=g_{ij}/{g_{00}}}$ эквивалентно замене параметра ${\displaystyle \mu }$ на ${\displaystyle d{\overline {\mu }}=d\mu /{\sqrt {g_{00}}}}$ к которому четыре скорости ${\displaystyle {\overline {v}}^{i}=dx^{i}/d{\overline {\mu }}}$ соответствовать. Кривая движения светоподобной частицы в четырехмерное пространство-время и ценность энергии ${\displaystyle \rho }$ находятся инвариантный под эту репараметризацию. Для статическое пространство-время первое уравнение движения с соответствующим параметром ${\displaystyle {\overline {\mu }}}$ дает ${\displaystyle {\overline {v}}^{0}=1}$ . Канонический импульс и силы принимают форму

${\displaystyle {\overline {p}}_{\lambda }={\overline {v}}_{\lambda };\qquad {\overline {F}}_{\lambda }={\frac {1}{2}}{\frac {\partial {\overline {g}}_{ij}}{\partial x^{\lambda }}}{\overline {v}}^{i}{\overline {v}}^{j}.}$

Подстановка их в уравнения Эйлера – Лагранжа дает

${\displaystyle {\frac {d}{d\mu }}\left({\overline {g}}_{\lambda k}{\overline {v}}^{k}\right)={\frac {1}{2}}{\frac {\partial {\overline {g}}_{ij}}{\partial x^{\lambda }}}{\overline {v}}^{i}{\overline {v}}^{j}}$.

После дифференцирования слева и умножения на ${\displaystyle {\overline {g}}^{l\lambda }}$ это выражение после суммирования по повторяющемуся индексу ${\displaystyle \lambda }$, становится нулевым геодезическим уравнением

${\displaystyle {\frac {d^{2}x^{l}}{d{\overline {\mu }}^{2}}}+\Gamma _{ij}^{l}{\frac {dx^{i}}{d{\overline {\mu }}}}{\frac {dx^{j}}{d{\overline {\mu }}}}=0,}$

куда ${\displaystyle \Gamma _{ij}^{l}}$ второй вид Символы Кристоффеля с уважением к метрический тензор ${\displaystyle {\overline {g}}_{ij}}$.

Таким образом, в случае статического пространства-времени принцип геодезии и метод вариации энергии, а также принцип Ферма дают одно и то же решение для распространения света.

Обобщенный принцип Ферма

В обобщенном принципе Ферма ^[6] время используется как функционал и вместе как переменная. Применяется принцип минимума Понтрягина оптимальный контроль теории и получил эффективный Гамильтониан для светоподобного движения частицы в искривленном пространстве-времени. Показано, что полученные кривые являются нулевыми геодезическими.

Доказана тождественность обобщенных принципов Ферма и стационарного интеграла энергии светоподобной частицы по скоростям.^[5] Виртуальные смещения координат сохраняют путь светоподобной частицы равным нулю в псевдоримановом пространстве-времени, т.е.не приводят к нарушению лоренц-инвариантности локальности и соответствуют вариационным принципам механики. Эквивалентность решений первого принципа геодезическим означает, что использование второго также дает геодезические. Принцип стационарного интеграла энергии дает систему уравнений, которая имеет на одно уравнение больше. Это позволяет однозначно определять канонические импульсы частицы и силы, действующие на нее в заданном система отсчета.

Смотрите также

• Принцип Ферма
• Вариационные методы в общей теории относительности

Рекомендации

1. Ландау, Лев Д.; Лифшиц, Евгений Федорович (1980), Классическая теория поля (4-е изд.), Лондон: Баттерворт-Хайнеманн, п. 273, г. ISBN  9780750627689
2. Перлик, Волкер (2004), "Гравитационное линзирование с точки зрения пространства-времени", Живой Преподобный Релятив., 7 (9), Глава 4.2
3. Д. Ю., Ципенюк; В. Б., Беляев (2019), "Расширенная космическая модель согласуется с динамикой фотонов в гравитационном поле", J. Phys .: Conf. Сер., 1251 (012048)
4. Ландау, Лев Д.; Лифшиц, Евгений Федорович (1976), Механика Vol. 1 (3-е изд.), Лондон: Баттерворт-Хайнеманн, стр. 14, ISBN  9780750628969
5. Д. Ю., Ципенюк; В. Б., Беляев (2019), «Динамика фотонов в гравитационном поле в 4D и ее 5D расширение» (PDF), ПЗУ. Rep. In Phys., 71 (4)
6. В. П., Фролов (2013), "Обобщенный принцип Ферма и действие для световых лучей в искривленном пространстве-времени", Phys. Ред. D, 88 (6), arXiv:1307.3291, Дои:10.1103 / PhysRevD.88.064039

дальнейшее чтение

• Беляев, В. Б. (2011). «Применение механики Лагранжа для анализа движения светоподобной частицы в псевдоримановом пространстве». arXiv:0911.0614. Bibcode:2009arXiv0911.0614B.