Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

МЕ́ТРИКА ПРОСТРА́НСТВА-ВРЕ́МЕНИ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 20. Москва, 2012, стр. 141-142

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Д. В. Гальцов

МЕ́ТРИКА ПРОСТРА́НСТВА-ВРЕ́МЕНИ, осн. гео­мет­рич. струк­ту­ра, ко­то­рой на­де­ля­ет­ся про­стран­ст­во-вре­мя (про­стран­ст­во со­бы­тий) в спе­ци­аль­ной и об­щей от­но­си­тель­но­сти тео­рии. М. п.-в. оп­ре­де­ля­ет­ся за­да­ни­ем по­ля сим­мет­рич­но­го ко­ва­ри­ант­но­го тен­зо­ра 2-го ран­га с от­лич­ным от ну­ля оп­ре­де­ли­те­лем – мет­ри­че­ско­го тен­зо­ра.

В спе­ци­аль­ной тео­рии от­но­си­тель­но­сти про­стран­ст­во со­бы­тий яв­ля­ет­ся (пло­ским) че­ты­рёх­мер­ным Мин­ков­ско­го про­стран­ст­вом-вре­ме­нем, мет­рич. тен­зор ко­то­ро­го име­ет вид: $η_{μν}$=diag(1, –1, –1, –1). Он за­да­ёт квад­рат ин­тер­ва­ла ме­ж­ду дву­мя со­бы­тия­ми, ка­ж­до­му из ко­то­рых со­пос­тав­ля­ет­ся точ­ка про­стран­ст­ва-вре­ме­ни $x^μ=(ct, x, y, z)$, где $c$ – ско­рость све­та, $x, y, z$ – пространств. ко­ор­ди­на­ты со­бы­тия, $t$ – вре­мя, ко­гда оно про­изош­ло. Квад­рат ин­тер­ва­ла ме­ж­ду дву­мя бес­ко­неч­но близ­ки­ми со­бы­тия­ми, ко­ор­ди­на­ты ко­то­рых от­ли­ча­ют­ся на $dx^μ$, ра­вен $ds^2=η_{μν}dx^μdx^ν=c^2dt^2-dx^2-dy^2-dz^2$. Эта ве­ли­чи­на по­ло­жи­тель­на, ес­ли про­стран­ст­вен­ное рас­стоя­ние ме­ж­ду точ­ка­ми мень­ше рас­стоя­ния, на ко­то­рое луч све­та рас­про­стра­ня­ет­ся за вре­мя $dt$; по­доб­ные со­бы­тия мо­гут ле­жать на ми­ро­вой ли­нии час­ти­цы не­ну­ле­вой мас­сы, дви­жу­щей­ся со ско­ро­стью, мень­шей $c$. Со­от­вет­ст­вую­щий ин­тер­вал на­зы­ва­ет­ся вре­ме­ни­по­доб­ным, он раз­де­ля­ет со­бы­тия, ко­то­рые на­хо­дят­ся в при­чин­ной свя­зи. От­ри­цат. зна­че­ние квад­ра­та ин­тер­ва­ла ха­рак­тер­но для со­бы­тий, ко­то­рые не свя­за­ны сиг­на­лом, рас­про­стра­няю­щим­ся со ско­ро­стью, мень­шей или рав­ной ско­ро­сти све­та; он от­ве­ча­ет при­чин­но не­свя­зан­ным со­бы­ти­ям; со­от­вет­ст­вую­щий ин­тер­вал на­зы­ва­ет­ся про­стран­ст­вен­но­по­доб­ным. Ну­ле­вое зна­че­ние ин­тер­ва­ла раз­де­ля­ет со­бы­тия, ле­жа­щие на фрон­те сфе­рич. све­то­вой вол­ны, ис­пу­щен­ной из за­дан­ной точ­ки в за­дан­ный мо­мент вре­ме­ни (на све­то­вом ко­ну­се). Та­ким об­ра­зом, М. п.-в. не яв­ля­ет­ся зна­ко­оп­ре­де­лён­ной. Воз­мо­жен вы­бор мет­ри­ки с про­ти­во­по­лож­ны­ми зна­ка­ми диа­го­наль­ных ком­по­нент; ин­ва­ри­ант­ной ве­ли­чи­ной яв­ля­ет­ся сиг­на­ту­ра – раз­ность ме­ж­ду чис­лом эле­мен­тов про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка (два). Мет­рич. тен­зор $η_{μν}$ оп­ре­де­ля­ет так­же квад­ра­ты длин век­то­ров в про­стран­ст­ве Мин­ков­ско­го, ко­то­рые то­же раз­де­ля­ют­ся на вре­ме­ни­по­доб­ные, про­стран­ст­вен­но­по­доб­ные и све­то­по­доб­ные (изо­троп­ные).

В про­стран­ст­ве со­бы­тий спе­ци­аль­ной тео­рии от­но­си­тель­но­сти до­пус­ти­мы пре­об­ра­зо­ва­ния ко­ор­ди­нат, не из­ме­няю­щие мет­ри­ку. Кро­ме про­стран­ст­вен­ных сдви­гов, по­во­ро­тов осей ко­ор­ди­нат и из­ме­не­ния на­ча­ла от­счё­та вре­ме­ни, они вклю­ча­ют Ло­рен­ца пре­об­ра­зо­ва­ния, опи­сы­ваю­щие пе­ре­ход от од­ной инер­ци­аль­ной сис­те­мы от­счё­та к дру­гой. Урав­не­ния, за­пи­сан­ные в ви­де со­от­но­ше­ний ме­ж­ду тен­зо­ра­ми в про­стран­ст­ве Мин­ков­ско­го, со­хра­ня­ют свой вид при этих пре­об­ра­зо­ва­ни­ях, что яв­ля­ет­ся ма­те­ма­тич. вы­ра­же­ни­ем от­но­си­тель­но­сти прин­ци­па Эйн­штей­на, со­глас­но ко­то­ро­му фи­зич. за­ко­ны оди­на­ко­вы во всех инер­ци­аль­ных сис­те­мах от­счё­та.

В об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти мет­ри­ка ис­крив­лён­но­го про­стран­ст­ва-вре­ме­ни за­да­ёт­ся за­ви­ся­щим от ко­ор­ди­нат ко­ва­ри­ант­ным тен­зо­ром 2-го ран­га $g_{μν}(x)$, та­ким, что в лю­бой за­дан­ной точ­ке (и вдоль лю­бой кри­вой) его мож­но пре­об­ра­зо­ва­ни­ем ко­ор­ди­нат при­вес­ти к ви­ду мет­ри­ки Мин­ков­ско­го. Та­кой тен­зор мож­но по­лу­чить, напр., из мет­ри­ки Мин­ков­ско­го об­щим пре­об­ра­зо­ва­ни­ем ко­ор­ди­нат, вклю­чаю­щим пе­ре­ход к не­инер­ци­аль­ным сис­те­мам от­счё­та. Со­глас­но эк­ви­ва­лент­но­сти прин­ци­пу, си­лы инер­ции ло­каль­но не­от­ли­чи­мы от гра­ви­та­ци­он­ных сил, по­это­му за­ви­ся­щая от ко­ор­ди­нат мет­ри­ка мо­жет опи­сы­вать и гра­ви­тац. по­ле. В об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти все урав­не­ния за­пи­сы­ва­ют­ся в фор­ме, ин­ва­ри­ант­ной от­но­си­тель­но про­из­воль­ных пре­об­ра­зо­ва­ний ко­ор­ди­нат в про­стран­ст­ве-вре­ме­ни, по­это­му не­об­хо­ди­мо раз­ли­чать слу­чай не­инер­ци­аль­ной сис­те­мы от­счёта от слу­чая при­сут­ст­вия гра­ви­тац. по­лей. При на­ли­чии гра­ви­тац. по­ля, по­ро­ж­дае­мо­го лю­бой ма­те­ри­ей, про­стран­ст­во-вре­мя уже не плос­кое, а име­ет кри­виз­ну, опи­сы­вае­мую тен­зо­ром кри­виз­ны, ко­то­рый в слу­чае от­сут­ст­вия гра­ви­тац. по­ля об­ра­ща­ет­ся в нуль. М. п.-в. оп­ре­де­ля­ет­ся пу­тём ре­ше­ния Эйн­штей­на урав­не­ний, свя­зы­ваю­щих кри­виз­ну с рас­пределе­ни­ем ма­те­рии, её дви­же­ни­ем и со­стоя­ни­ем, опи­сы­вае­мы­ми тен­зо­ром энер­гии-им­пуль­са.

В слу­чае сла­бо­го гра­ви­тац. по­ля мет­ри­ка $g_{μν}(x)$ близ­ка к мет­ри­ке Мин­ков­ско­го, по­это­му мож­но по­ло­жить $g_{μν}(x)=η_{μν}+h_{μν}(x)$, где по­прав­ки $h_{μν}(x)$ ма­лы.

Лит.: Вейн­берг С. Гра­ви­та­ция и кос­мо­ло­гия. М., 1975; Галь­цов Д. В. Тео­ре­ти­че­ская фи­зи­ка для сту­ден­тов-ма­те­ма­ти­ков. М., 2003; Лан­дау Л. Д., Лиф­шиц Е. М. Тео­рия по­ля. 8-е изд. М., 2003.

Вернуться к началу