Фейнмановские лекции по гравитации

Фейнман Ричард Филлипс

Как такие идеи могут быть связаны с гравитацией? Уравнения физики являются инвариантными, когда мы делаем координатные замены с любыми постоянными значениями a

x'

=

x

+

a

.

(8.4.5)

Для того, чтобы сделать формально более похожими фазовые и изоспиновые преобразования, можно было бы воспользоваться импульсным представлением, так что оператор сдвига есть

exp(ip

a

)

.

С

другой стороны, возможно исследовать, каким образом уравнения физики могут быть сделаны инвариантными в том случае, когда мы допускаем зависящие от координат в пространстве переменные смещения (a– >) Исследование будет проводиться для более полного лагранжиана; новые члены, которые необходимы, являются в точности теми же самыми, что и для гравитационного поля. Таким образом, гравитация является тем полем, которое соответствует калибровочной инвариантности по отношению к преобразованиям смещения.

8.5. Кривизна как величина, относящаяся к касательному пространству

Мы можем рассмотреть данный вопрос геометрически, как Эйнштейн, и обратиться к кривизне и таким понятиям, которые выражаются на языке предельного перехода для величины радиуса и длины окружности. Только для того, чтобы показать, что подобный подход не является слишком сложным, мы используем его. Теперь, когда мы осознаем, что мы делаем, мы можем сделать более общие координатные преобразования. Мы говорили о том, каково было число производных. У нас была возможность сказать, что мы можем положить

g

0

=

(8.5.1)

путём соответствующего выбора шестнадцати первых производных x/x'. Мы предполагаем также, что мы можем выбрать сорок вторых производных (^2x/x'x') таким образом, что все первые производные

g

0

равны нулю. Тогда имеется восемьдесят выбранных третьих производных и сотня вторых производных величины g. Есть двадцать линейных комбинаций этих вторых производных, причём эти комбинации могут иметь геометрическое определение. Они не могут быть устранены преобразованием координат. То, что мы будем искать - это выражение для двадцати таких величин на языке исходных величин g. Мы делаем данную процедуру в три шага, возвращаясь назад, так сказать. Сначала мы предполагаем, что выбрали первые и вторые производные (в выбранной точке путём преобразования к римановым нормальным координатам) таким образом, что

g

0

=

и

g

0

,

=

0,

и находим выражение для двадцати величин. Затем мы будем беспокоиться о том, как мы можем добиться выполнения этих условий и так выбрать новые координаты, исходя из произвольных начальных координат, чтобы получить эти двадцать величин через исходные величины g.

Рис. 8.2.

Сначала мы обсудим геометрически определяемые величины в терминах координат в касательном пространстве в точке. То, что мы делаем в пространстве с четырьмя измерениями, аналогично следующей ситуации в двумерном пространстве. Искривлённое пространство можно рассматривать как поверхность и сравнить геометрию поверхности в данной точке с геометрией, рассматриваемой с касательной плоскости, как показано на рис. 8.2. Исходные координат ты на искривлённом пространстве вообще говоря неортогональны и не являются соответствующим образом ориентированными для того, чтобы допустить простейшее описание геометрии

на языке инварианта 1/(RR) Первый шаг состоит в том, чтобы определить эту внутреннюю кривизну на языке исходной геометрии.

Только вторые производные начинают описывать в данной точке отклонение искривлённого пространства от плоского. Величины, характеризующие кривизну пространства, являются в точности мерой рассогласования между поверхностью и касательной плоскостью. Эти величины дают описание самого существенного характера пространства в заданной точке. Так как мы включили в рассмотрение только первые, вторые и третьи производные координат, то мы имеем достаточно общее преобразование в следующем виде:

x

=

x'

+

1

2

a

x'

x'

+

1

6

b

x'

x'

x'

.

(8.5.2)

Наша задача состоит в том, чтобы выбрать двадцать существенных комбинаций. Для первых производных мы имеем следующие выражения:

x

x'

=

+

a

x'

+

1

2

b

x'

x'

.

(8.5.3)

В этом частном касательном пространстве метрические тензоры могут быть записаны в достаточно общем виде как

g'

=

+

1

2

x'

x'

g

⁰

'

_,

,

g

=

+

1

2

x

x

g

0

,

.

(8.5.4)

Верхний индекс ”0” означает то, что рассматриваемая величина берётся в точке касания x. Мы получаем соответствующие инвариантные комбинации, рассматривая то, что мы имеем две произвольные системы координат в касательном пространстве, и требуем, что одни и те же формулы должны выполняться в обоих случаях. Так как эти пространства - касательные, то производные координат могут отличаться только квадратичными членами, так что

a

=

0.

(8.5.5)

Тогда необходимо только подставить одно преобразование в другое. Подставляя закон преобразования используя соотношения (8.5.3) для производных, находим

g'

=

g

x

x'

x

x'

=

=