外观
Lesson 13 作用量原理
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2026-04-08
作用量原理:我们的目的是测地线方程,
dτ2d2xμ+Γμνλdτdxνdτdxλ=0
粒子的作用量表达为
IM=−n∑mn∫−∞∞dp[−gμν(xn)dpdxnμdpdxnν]1/2
我们想通过其变分得到测地线方程,有
δIM=−n∑mn∫−∞∞dp⋅21[−gμν(xn)dpdxnμdpdxnν]−1/2{−∂xnλ∂gμνδxnλdpdxnμdpdxnν−gμν(xn)(dpdδxnμdpdxnν+dpdxnμdpdδxnν)}=−n∑mn∫−∞∞dτ⋅21{−∂xnλ∂gμνδxnλdpdxnμdpdxnν−gμν(xn)(dpdδxnμdpdxnν+dpdxnμdpdδxnν)}=⋯⋯
后面过程略,但是最后会得到 Christoffel 符号的定义式.
对于一个带电的体系,上面的作用量加一项场的部分和一项电荷之间相互作用的部分. 其中场的部分是
−41∫d4x⋅g1/2(x)Fμν(x)Fμν(x)
这里的 g1/2 来源于张量密度,d4x 不是普通标量.
为求电荷相互作用的项,首先写出狭义相对论下的流:
Jμ(x)=n∑endtdxnμδ3(x−xn(t))=n∑endτdxnμdtdτδ3(x−xn(t))
简单地把 3 改成 4 就是四维形式,但是并不广义相对论协变,因为 δ4 并不是标量,还需要乘一个张量密度的系数,
Jμ(x)=n∑en∫dτ⋅g1/2(xn(τ))dτdxnμδ4(x−xn(τ))
由流,得到粒子之间的电磁相互作用,
==∫d4x⋅g1/2(x)Aμ(x)Jμ(x)∫dτ∫d4xn∑δ4(x−xn(τ))Aμ(x)endτdxnμn∑en∫−∞∞dpdpdxnμ(p)Aμ(xn(p))
相对于之前无电荷的作用量,这里多了两项:
IM=−n∑mn∫−∞∞dp[−gμν(xn)dpdxnμdpdxnν]1/2−41∫d4x⋅g1/2(x)Fμν(x)Fμν(x)−n∑en∫−∞∞dpdpdxnμ(p)Aμ(xn(p))
变分后,第一项和第三项都有 xnμ,对于第一项变分之后得到测地线方程,下面考虑对第三项变分,
δI3=n∑∫−∞∞dp⋅[dpdδxnμAμ(xn(p))+dpdxnμ∂xν∂Aμx=xn(p)δxnμ(p)]=n∑en∫−∞∞dp(−Fμνdpdxnμ)δxν+boundary terms
这里的第一项可以通过 integral by part,
dpdδxnμAμ(xn(p))⟶−δxnμ∂xν∂Aμx=xn(p)dpdxnν(p)
电磁场部分,
δIA=∫d4xg(−41FμνFμν)
其中后面 Fμν=∂μAν−∂νAμ,是反对称的,所以可以写成 2∂μAν. 之后对这个 Aν 做变分,
δIA=∫d4xg(−1)(∂μAν−∂νAμ)∂μδAν=∫d4xgFμν;ν
下面用作用量原理推导场方程.
场的相互作用是 local 的,因为没有长程关联,也就没有双重的积分. 取一个标量的作用量,
IG=−16πG1∫d4x⋅g1/2R
变分,
δ(g1/2R)=δ(g1/2gμνRμν)=δgμνg1/2Rμν+δg1/2R+g1/2gμνδRμν
最难处理的是最后这一项,因为根本不知道 R 是什么. 但是我们知道 Rμν 没缩并之前是由 Γ 构成的,而且 δΓ 是 tensor (因为使得 Γ 不是 tensor 的那一项变分的时候没有了). 因此
δRμν=something’s derivative
这一项的贡献是
∫d4xg⋅DμJ~μ
由 Stokes 可以化为面积分,将面积趋于无穷大,此式得零. 因此这一项对运动方程没有贡献.
接下来处理第一项,
gνρgρσ=δμσ⟹δgμρgρσ+gμρδgρσ=0
所以 δgρσ=−gρμδgμνgνσ. 第二项是 δg1/2=21g1/2gμνδgμν. 最终得到
δIG=−16πG1∫d4x(−Rρσ+21gρσR)g1/2δgρσ
这个变分要和物质场的变分合在一起等于零. 如果场方程要正确,那么物质场对 gρσ 变分必须得是能动张量. 这听起来很奇怪,不过这件事是正确的. 我们以一群粒子为例,
IM=−n∑mn∫−∞∞dp(−gμνdpdxnμdpdxnν)1/2
对 gμν 变分,
δIM=−n∑mn∫−∞∞dp⋅21(−gμνdpdxnμdpdxnν)−1/2(−dpdxnμdpdxnνδgμν(xn))=n∑mn∫−∞∞dp⋅21dτdxnμdτdxnνδgμν(xn)=∫d4xg(x)n∑mn∫−∞∞dτ⋅21dτdxnμdτdxnν⋅g(x)δ4(x−xn(τ))δgμν(x)
而这个体系的能动张量是
Tμν(x)=∫dτn∑mndτdxnμdτdxnνg1/2(x)δ4(x−xn(τ))
验证了结果.
提示
现在来思考一下为什么这件事情是对的.
S=∫dt⋅L(q,q˙)
的变分是
δS=∫t1t2(δqδLδq+δq˙δLδq˙)dt+δS2L(q(t2),q˙(t2))Δt−L(q(t1),q˙(t1))=∫t1t20(δqδLδq−dtdδq˙δL)−dtd(δq˙δLδq)+δS2=δq˙δLδqt1t2+δS2=[−δq˙δLq˙+L(q(t),q˙(t))]t1t2=0
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2026/4/8 14:51
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