Телепараллелизм - Teleparallelism

Телепараллелизм (также называемый телепараллельная гравитация), была попыткой Альберт Эйнштейн^[1] основать единую теорию электромагнетизм и сила тяжести о математической структуре дальнего параллелизма, также называемого абсолютным или телепараллелизмом. В этой теории пространство-время характеризуется отсутствием кривизны линейное соединение в сочетании с метрический тензор поле, оба определены в терминах динамического тетрада поле.

Телепараллельные пространства-времени

Ключевой новой идеей для Эйнштейна было введение тетрада поле, т. е. множество {ИКС₁, ИКС₂, ИКС₃, ИКС₄} четырех векторные поля определено на все из M так что для каждого п ∈ M набор {ИКС₁(п), ИКС₂(п), ИКС₃(п), ИКС₄(п)} это основа из Т_пM, куда Т_пM обозначает слой над п из касательное векторное расслоение TM. Следовательно, четырехмерный пространство-время многообразие M должен быть параллелизируемое многообразие. Поле тетрад было введено, чтобы позволить дистанционное сравнение направления касательных векторов в разных точках многообразия, отсюда и название отдаленный параллелизм. Его попытка не удалась, потому что в его упрощенном уравнении поля не было решения Шварцшильда.

Фактически, можно определить подключение распараллеливания (также называемый Weitzenböck связь) {ИКС_я} быть линейное соединение ∇ на M такой, что ^[2]

${\displaystyle \nabla _{v}\left(f^{i}\mathrm {X} _{i}\right)=\left(vf^{i}\right)\mathrm {X} _{i}(p),}$

куда v ∈ Т_пM и ж^я являются (глобальными) функциями на M; таким образом ж^яИкс_я является глобальным векторным полем на M. Другими словами, коэффициенты при Связь Weitzenböck ∇ относительно {ИКС_я} все тождественно равны нулю, неявно определяемые:

${\displaystyle \nabla _{\mathrm {X} _{i}}\mathrm {X} _{j}=0,}$

следовательно

${\displaystyle {W^{k}}_{ij}=\omega ^{k}\left(\nabla _{\mathrm {X} _{i}}\mathrm {X} _{j}\right)\equiv 0,}$

для коэффициентов связности (также называемых коэффициентами Вейтценбека) в этом глобальном базисе. Здесь ω^k дуальный глобальный базис (или кофрейм), определяемый ω^я(ИКС_j) = δ^я
_j.

Так обычно бывает в р^п, в любом аффинное пространство или же Группа Ли (например, "изогнутая" сфера S³ но «плоское» многообразие Вайтценбека).

Используя закон преобразования связи или, что то же самое, ∇ properties, получаем следующий результат.

Предложение. В естественной основе, связанной с локальными координатами (U, Икс^μ), т.е. в голономной системе отсчета ∂_μ, (локальные) коэффициенты связности связи Вайтценбека определяются как:

${\displaystyle {\Gamma ^{\beta }}_{\mu \nu }=h_{i}^{\beta }\partial _{\nu }h_{\mu }^{i},}$

куда Икс_я = час^μ
_я∂_μ за я, μ = 1, 2,… п являются локальными выражениями глобального объекта, то есть данной тетрады.

В Связь Weitzenböck исчезает кривизна, но - в общем - не исчезающие кручение.

Учитывая поле кадра {ИКС_я}, можно также определить метрику, представив поле фрейма как ортонормированное векторное поле. Тогда можно было бы получить псевдориманов метрический тензор поле грамм из подпись (3,1) пользователя

${\displaystyle g\left(\mathrm {X} _{i},\mathrm {X} _{j}\right)=\eta _{ij},}$

куда

${\displaystyle \eta _{ij}=\operatorname {diag} (-1,-1,-1,1).}$

Соответствующее базовое пространство-время в этом случае называется Weitzenböck пространство-время.^[3]

Стоит отметить, что эти «параллельные векторные поля» порождают метрический тензор как побочный продукт.

Новая теория телепараллельной гравитации

Новая теория телепараллельной гравитации (или же новая общая теория относительности) является теорией гравитации в пространстве-времени Вейтценбека и приписывает гравитацию тензору кручения, сформированному из параллельных векторных полей.

В новой теории телепараллельной гравитации основные допущения следующие:

1. В основе пространства-времени лежит пространство-время Вейтценбека, фундаментальная структура которого - четверка параллельных векторных полей. Эти параллельные векторные поля порождают метрический тензор как побочный продукт. Все физические законы выражаются уравнениями, которые являются ковариантными или инвариантными относительно группы общих преобразований координат.
2. В принцип эквивалентности справедливо только в классической физике.
3. Уравнения гравитационного поля выводятся из принципа действия.
4. Уравнения поля представляют собой уравнения в частных производных от переменных поля не выше второго порядка.

В 1961 г. Кристиан Мёллер^[4] возродил идею Эйнштейна, а Пеллегрини и Плебанский^[5] нашел лагранжеву формулировку для абсолютный параллелизм.

Тетрада Меллера теория гравитации

В 1961 году Мёллер^[4][6] показал, что тетрада описание гравитационных полей позволяет более рационально рассматривать энерго-импульсный комплекс чем в теории, основанной на метрический тензор один. Преимущество использования тетрад в качестве гравитационных переменных было связано с тем, что это позволяло построить выражения для комплекса энергия-импульс, которые обладали более удовлетворительными преобразовательными свойствами, чем в чисто метрической формулировке. Недавно было показано, что полная энергия вещества и гравитации пропорциональна Скаляр Риччи трехмерного пространства с точностью до линейного порядка возмущения.^[7]

Новый перевод телепараллельной калибровочной теории гравитации

Независимо в 1967 году Хаяси и Накано^[8] возродил идею Эйнштейна, а Пеллегрини и Плебанский^[5] начал формулировать калибровочную теорию группы трансляций пространства-времени. Хаяси указал на связь между калибровочной теорией группы трансляций пространства-времени и абсолютным параллелизмом. Первый пучок волокон формулировка была предоставлена ​​Чо.^[9] Позднее эта модель была изучена Schweizer et al.,^[10] Нич и Хель, Мейер и более поздние достижения можно найти в Альдрованди и Перейре, Гронвальде, Итине, Малюфе и да Роча Нето, Мюнхе, Обухове и Перейре, а также в Шукинге и Суровитце.

В настоящее время люди изучают телепараллелизм исключительно как теорию гравитации.^[11] не пытаясь объединить его с электромагнетизмом. В этой теории гравитационное поле оказывается полностью представлен переводным измерить потенциал B^а_μ, как и должно быть для калибровочная теория для переводческой группы.

Если этот выбор сделан, то больше нет Лоренц калибровочная симметрия потому что внутренний Пространство Минковского волокно - над каждой точкой пространства-времени многообразие - принадлежит к пучок волокон с абелевым р⁴ в качестве структурная группа. Однако можно ввести трансляционную калибровочную симметрию так: вместо того, чтобы видеть тетрады как фундаментальный, мы вводим фундаментальный р⁴ вместо этого поступательная калибровочная симметрия (которая действует на внутренние слои пространства Минковского аффинно так что это волокно снова становится локальным) с связь B и "координатное поле" Икс принимает значения в волокне пространства Минковского.

Точнее, пусть π : M → M быть Минковский пучок волокон в пространстве-времени многообразие M. Для каждой точки п ∈ M, волокно M_п является аффинное пространство. В таблице волокон (V, ψ), координаты обычно обозначаются ψ = (Икс^μ, Икс^а), куда Икс^μ координаты на пространственно-временном многообразии M, и Икс^а координаты в волокне M_п.

С использованием обозначение абстрактного индекса, позволять а, б, c,… Ссылаться на M_п и μ, ν,… обратитесь к касательный пучок TM. В любом конкретном случае значение Икс^а в момент п дается раздел

${\displaystyle x^{\mu }\to \left(x^{\mu },x^{a}=\xi ^{a}(p)\right).}$

В ковариантная производная

${\displaystyle D_{\mu }\xi ^{a}\equiv \left(d\xi ^{a}\right)_{\mu }+{B^{a}}_{\mu }=\partial _{\mu }\xi ^{a}+{B^{a}}_{\mu }}$

определяется относительно форма подключения B, 1-форма, принимающая значения в Алгебра Ли трансляционной абелевой группы р⁴. Здесь d - внешняя производная из аth компонент из Икс, которое является скалярным полем (так что это не чисто абстрактная индексная нотация). При калибровочном преобразовании полем трансляции α^а,

${\displaystyle x^{a}\to x^{a}+\alpha ^{a}}$

и

${\displaystyle {B^{a}}_{\mu }\to {B^{a}}_{\mu }-\partial _{\mu }\alpha ^{a}}$

а значит, ковариантная производная от Икс^а = ξ^а(п) является калибровочный инвариант. Это отождествляется с трансляционной (ко) тетрадой

${\displaystyle {h^{a}}_{\mu }=\partial _{\mu }\xi ^{a}+{B^{a}}_{\mu }}$

который является однотипный который принимает значения в Алгебра Ли трансляционной абелевой группы р⁴, откуда он калибровочно инвариантен.^[12] Но что это значит? Икс^а = ξ^а(п) является локальным участком (чисто трансляционного) аффинного внутреннего расслоения M → M, еще одна важная структура в дополнение к поступательному калибровочному полю B^а_μ. Геометрически это поле определяет происхождение аффинных пространств; это известно как Картан Радиус-вектор. В рамках теоретико-калибровочной теории одноформа

${\displaystyle h^{a}={h^{a}}_{\mu }dx^{\mu }=\left(\partial _{\mu }\xi ^{a}+{B^{a}}_{\mu }\right)dx^{\mu }}$

возникает как нелинейное поступательное калибровочное поле с ξ^а интерпретируется как Поле Голдстоуна описывающий спонтанное нарушение трансляционной симметрии.

Грубая аналогия: подумайте о M_п как экран компьютера и внутреннее смещение как положение указателя мыши. Думайте о изогнутом коврике для мыши как о пространстве-времени, а положение мыши - как о положении. Сохраняя ориентацию мыши фиксированной, если мы перемещаем мышь вокруг изогнутого коврика для мыши, положение указателя мыши (внутреннее смещение) также изменяется, и это изменение зависит от пути; то есть это зависит не только от начального и конечного положения мыши. Изменение внутреннего смещения, когда мы перемещаем мышь по замкнутому пути на коврике для мыши, называется кручением.

Еще одна грубая аналогия: подумайте о кристалл с линейные дефекты (краевые дислокации и винтовые дислокации но нет дисклинации ). Параллельный перенос точки M вдоль пути определяется путем подсчета количества пересеченных (вверх / вниз, вперед / назад и влево / вправо) связей кристалла. В Вектор гамбургеров соответствует кручению. Отклонения соответствуют кривизне, поэтому они не учитываются.

Торсионная, т.е. поступательная напряженность поля телепараллельной гравитации (или поступательной "кривизны"),

${\displaystyle {T^{a}}_{\mu \nu }\equiv \left(DB^{a}\right)_{\mu \nu }=D_{\mu }{B^{a}}_{\nu }-D_{\nu }{B^{a}}_{\mu },}$

калибровочно инвариантно.

Конечно, мы всегда можем выбрать калибр, где Икс^а везде равен нулю (хотя проблема; M_п является аффинным пространством, а также слоем, и поэтому мы должны определить начало координат по пунктам, но это всегда можно сделать произвольно), и это возвращает нас к теории, в которой тетрада является фундаментальной.

Телепараллелизм относится к любой теории гравитации, основанной на этой структуре. Есть особый выбор действие что делает его в точности эквивалентным^[9] общей теории относительности, но есть и другие варианты действия, не эквивалентные ОТО. В некоторых из этих теорий нет эквивалентности между инерционный и гравитационные массы.

В отличие от ОТО, гравитация возникает не из-за кривизны пространства-времени. Это из-за кручения.

Негравитационные контексты

Существует близкая аналогия с геометрия пространства-времени со структурой дефектов в кристалле.^[13][14] Вывихи представлены кручением, дисклинации по кривизне. Эти дефекты не независимы друг от друга. Дислокация эквивалентна паре дисклинация-антидисклинация, дисклинация эквивалентна веренице дислокаций. Это основная причина, по которой теорию Эйнштейна, основанную исключительно на кривизне, можно переписать как телепараллельную теорию, основанную только на кручении. Более того, существует бесконечно много способов переписать теорию Эйнштейна, в зависимости от того, какую часть кривизны нужно повторно выразить в терминах кручения, а телепараллельная теория является лишь одной из их конкретных версий.^[15]

Дальнейшее применение телепараллелизма происходит в квантовой теории поля, а именно в двумерном нелинейные сигма-модели с целевым пространством на простых геометрических многообразиях, поведение перенормировки которых контролируется Риччи поток, который включает кручение. Это кручение изменяет тензор Риччи и, следовательно, приводит к инфракрасная фиксированная точка для муфты за счет телепараллельности («геометростазис»).^[16]

Смотрите также

• Классические теории гравитации
• Теория калибровочной гравитации

Рекомендации

1. Эйнштейн, Альберт (1928). "Риман-геометрия мит Aufrechterhaltung des Begriffes des Fernparallelismus". Preussische Akademie der Wissenschaften, Phys.-math. Klasse, Sitzungsberichte. 1928: 217–221.
2. Бишоп, Р. Л .; Гольдберг, С. И. (1968). Тензорный анализ на многообразиях. п.223.
3. «К истории единой теории поля».
4. Мёллер, Кристиан (1961). «Законы сохранения и абсолютный параллелизм в общей теории относительности». Мат. Fys. Дэн. Vid. Сельск. 1 (10): 1–50.
5. Pellegrini, C .; Плебанский, Дж. (1963). «Тетрадные поля и гравитационные поля». Мат. Fys. SKR. Дэн. Vid. Сельск. 2 (4): 1–39.
6. Мёллер, Кристиан (1961). «Дальнейшие замечания о локализации энергии в общей теории относительности». Анна. Phys. 12 (1): 118–133. Bibcode:1961АнФи..12..118М. Дои:10.1016/0003-4916(61)90148-8.
7. Абеди, Хабиб; Салти, Мустафа (31.07.2015). «Множественное поле модифицированной гравитации и локализованной энергии в телепараллельной структуре». Общая теория относительности и гравитации. 47 (8): 93. Bibcode:2015ГРэГр..47 ... 93А. Дои:10.1007 / s10714-015-1935-z. ISSN  0001-7701.
8. Hayashi, K .; Накано, Т. (1967). «Расширенная трансляционная инвариантность и связанные калибровочные поля». Прог. Теор. Phys. 38 (2): 491–507. Bibcode:1967PThPh..38..491H. Дои:10.1143 / птп.38.491.
9. Чо, Ю.-М. (1976). «Лагранжиан Эйнштейна как трансляционный лагранжиан Янга – Миллса». Физический обзор D. 14 (10): 2521. Bibcode:1976ПхРвД..14.2521С. Дои:10.1103 / Physrevd.14.2521.
10. Schweizer, M .; Straumann, N .; Випф, А. (1980). «Постньютоновская генерация гравитационных волн в теории гравитации с кручением». Gen. Rel. Грав. 12 (11): 951–961. Bibcode:1980GReGr..12..951S. Дои:10.1007 / bf00757366.
11. Arcos, H.I .; Перейра, Дж. Г. (январь 2005 г.). «Торсионная гравитация: переоценка». Int. J. Mod. Phys. D. 13 (10): 2193–2240. arXiv:gr-qc / 0501017. Bibcode:2004IJMPD..13.2193A. Дои:10.1142 / S0218271804006462.
12. Hehl, F. W .; McCrea, J.D .; Mielke, E.W .; Нееман Ю. (1995). «Метрическо-аффинная калибровочная теория гравитации: уравнения поля, тождества Нётер, мировые спиноры и нарушение инвариантности к растяжению». Phys. Представитель. 258 (1): 1–171. arXiv:gr-qc / 9402012. Bibcode:1995PhR ... 258 .... 1H. Дои:10.1016 / 0370-1573 (94) 00111-Ф.
13. Кляйнерт, Хаген (1989). Калибровочные поля в конденсированных средах, том II. С. 743–1440.
14. Кляйнерт, Хаген (2008). Многозначные поля в конденсированных средах, электромагнетизме и гравитации (PDF). С. 1–496.
15. Кляйнерт, Хаген (2010). «Новая калибровочная симметрия в гравитации и неуловимая роль кручения» (PDF). Электрон. J. Theor. Phys. 24: 287–298.
16. Braaten, E .; Curtright, T. L .; Захос, К. К. (1985). «Кручение и геометростаз в нелинейных сигма-моделях». Ядерная физика B. 260 (3–4): 630. Bibcode:1985НуФБ.260..630Б. Дои:10.1016/0550-3213(85)90053-7.

дальнейшее чтение

• Бишоп, Р. Л.; Гольдберг, С. И. (1968). Тензорный анализ на многообразиях (Первое издание Dover 1980 г.). Макмиллан. ISBN  978-0-486-64039-6.
• Вайтценбёк, Р. (1923). Инварианттеория. Гронинген: Нордхофф.
• Aldrovandi, R .; Перейра, Дж. Г. (2012). Телепараллельная гравитация: введение. Спрингер: Дордрехт. ISBN  978-94-007-5142-2.

внешняя ссылка

• Телепараллельная гравитация в nLab
• Телепараллельные структуры и теории гравитации Луки Бомбелли
• Избранные статьи о телепараллелизме, перевод и редакция Д. Х. Дельфенича.