外观
Lesson 3 等效原理 & 广义协变性原理
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2026-03-03
At every spacetime point in an arbitrary gravitational field, it is possible to choose a local inertial coordinate system, such that, within a sufficient small region of the point in question, the lows of the nature takes the same form as in un-accelerated cartesian coordinate in the absence if gravitation.
—— Weinberg 书中的等效原理表述
有了等效原理之后,定义一个在 X 时空点的局域参考系 ξXα,没有引力时,在其中的固有时应该就是
dτ2=−ηαβdξXαdξXβ
在另一个全局的参考系中,X 这一点的坐标是 xμ(ξXα). 把上面的固有时用 chain rule 重写,得到
dτ2=−gμνηαβ∂xμ∂ξXα∂xν∂ξXβdxμdxν=−gμν(X)dxμdxν
前面的部分定义为 gμν,即为度规. 我们还可以计算在这个新的系统中,运动物体的方程的变化. 新的参考系里我们依然有
dτ2d2ξXα⟹=0=dτd(dτdξXα)=dτd(∂xμ∂ξXαdτdxμ)=∂xμ∂ξXαdτ2d2xμ+∂xμ∂xν∂2ξXα∂τ∂xμ∂τ∂xνdτ2d2xλ+∂ξα∂xλ∂xμ∂xν∂2ξα∂τ∂xμ∂τ∂xν=0
注意
其中跳过了一步:
dτd(∂xμ∂2ξXα)=0∂X∂x∂ξαX=xdτdX+∂xμ∂xν∂2ξXα∂τ∂xμ
因为前面一项中的 ∂ξα/∂X 可以在局域上通过取曲线的切线作为坐标系的方式使得它等于零.
原来的等效原理可以说成:
At every spacetime point X in an arbitrary gravitational field xμ, it is possible to choose a local inertial coordinate system ξXα, such that, within a sufficient small region of the point in question, the lows of the nature takes the same form as in un-accelerated cartesian coordinate in the absence if gravitation, ∂X∂ξXα(x)x=X=0.
下面再来算上节课算的东西:
∂xρ∂gμν=∂xρ∂(ηαβ∂xμ∂ξXα(x)∂xν∂ξXβ(x))
因为我们的假设 ∂X∂ξXα(x)x=X=0,所以这个式子和上节课推出来的结果并无差异,
Γμρσ=21gμλ(gρλ,σ+gσλ,ρ−gρσ,λ)
同时我们可以知道在局域参考系中,gμν=ημν (平直时空),Γμλν=0,gμν,λ=0.
为了更明确地理解度规的意义,我们来算一些熟悉的概念. 首先明确,Γ 实际上是「力」的概念,引力包含在 Γ 里面,而 Γ 是 g 的导数,所以合理的想法是 g 对应着 potential. 考虑低速近似 v≪c=1,弱场近似 gμν=ημν+hμν 且 ∣hμν∣≪1,并且场不随时间改变.
Newton 定律
dτ2d2xλ+Γλρσdτdxρdτdxσ=0
因为 dxρ/dτ→1,dτ→dt,变为
⟹dt2d2xλ+Γλ00=0dt2d2xλ+21gλμ(g0μ,0+gμ0,0−g00,μ)=dt2d2xλ−21gλμg00,μ=0
最终得到
dt2d2xλ−21ηλμh00,μ=0
一共四个方程,其中,λ=0 的方程是 trivial,只用考虑 λ=i 的情况,为
dt2d2xi−21h00,i=0⟺dt2d2xi+∇ϕ=0
这就得到 h00=−2ϕ+const.,求出 (令常数为零)
g00=−(1−r2GM)
广义协变性原理:
- The equation holds in the absence of gravitation. That is, is agrees with laws of special relativity when the metric tensor gαβ equals the Minkowski tensor ηαβ and when the affine connection Γαβγ vanishes.
- The equation is generally covariant; that is, it preserves its form under a general coordinate transformation.
我们需要把各个几何量和物理量变成协变的形式. 简单的例子:
dx′μ=(∂xα∂x′μ)dxα
对于度规,
gρσ′=gμν∂x′ρ∂xμ∂x’σ∂xν
对于加速度:
dτdU′μ=dτd(dτdx′μ)=dτd(∂xν∂x′μdτdxν)=∂xν∂x′μdτ2d2xν+dτdxν∂xν∂xρ∂2x′μdτdxρ=∂xν∂x′μdτdUν+∂xν∂xρ∂2x′μUρUν
这不是一个张量. 下面看联络的坐标变换.
提示
题外话:为什么联络一定不是一个张量?因为我们之前说过了,联络在取某些特定坐标系的时候,可以变成零,但是如果一个张量变成零之后就无法变成除了零之外的东西,因为张量的变换是乘一个矩阵.
Γμρσ⟹Γ′νκλ=∂ξα∂xμ∂xρ∂xσ∂2ξα=∂ξα∂x′ν∂x′κ∂x′λ∂2ξα=∂xμ∂x′ν∂ξα∂xμ∂x′κ∂(∂xσ∂ξα∂x′λ∂xσ)=∂xμ∂x′ν∂ξα∂xμ(∂x′κ∂x′λ∂2xσ∂xσ∂ξα+∂x′λ∂xσ∂xσ∂xρ∂2ξα∂x′κ∂xρ)=∂xμ∂x′ν∂x′λ∂xσ∂x′κ∂xρΓμσρ+∂xμ∂x′ν∂x′κ∂x′λ∂2xσ
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2026/3/3 07:54
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