[ r j ] 系统中的测地线表示

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 文章讨论了在不同几何表示中的测地线,特别是使用坐标[r, j]。
  • 它探讨了这些概念在球对称三维超曲面中的扩展,并讨论了施瓦茨希尔德几何的性质。
  • 测地线在特定坐标系中被分析,特别关注在奇点处的行为。

3)[r, j]表示中的测地线。

将(6)代入(14),令dr = thr dr,得到:(17)

这给出了测地线的[r, j]表示。当r趋近于零时,dj/dr趋近于有限值,因此倾斜角的正切:(18)

在原点处趋近于零。在这样的表示中,施瓦茨希尔德喉部圆的图像为一个圆锥点。** ** **


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图4:图3中所示的测地线,在(r, j)坐标系中。
喉部圆的交叉点对应于点O

这是测地线的一种等距表示。请注意,我们也可以在[z, r, j]系统中表示该表面,但这不再是等距表示。我们得到相应的子午线:(19)

当r趋近于零时,z(r)是线性的。当r趋近于无穷大时,函数趋近于抛物线。

图5:在非等距[r, j]表示中的表面子午线。 ****

在这样的表示中,施瓦茨希尔德喉部圆的图像为一个圆锥点。** **

4)**扩展到具有球对称性的三维超曲面。 **

这可以扩展到一个三维超曲面,其线元为:(20)

该度规指的是一个三维超曲面,这里用[r, q, j]坐标系表示。变量r不是“径向距离”,对应于“球坐标”。在这一新的线元表达式中,我们发现了类似的病理现象,可以通过引入相同的坐标变换(6)来消除。

[ r, q, j ] ® [ r, q, j ]

然后该线元变为:(21)

其符号变为(+,+,+),其行列式为:(22)

不再为零。

该超曲面的测地线位于平面上。q = p/2是其中之一。在它们的[r, j]表示中,它们与图2中的测地线一致。等距群为O3,相应的轨道为球面。其中有一个轨道具有最小面积(这种三维“环形桥”的喉部球面)。球面轨道的大圆不是测地线,除了位于喉部球面上的特殊情况,其周长为2 p Rs。这种特殊球面的测地线是唯一的闭合测地线。我们可以称这种特殊的几何为“超环面几何”。这个三维表面不是单连通的。它有一个三维折叠,可以看作是两个有限的三维半折叠沿其球形边界(喉部球面)粘合而成。在远离这个“超环面桥”的地方,度规趋于欧几里得度规,这里用球坐标表示:(23)

ds² = dr² + r² ( dq² + sin²q dj² )

5)**施瓦茨希尔德几何。 **

经典上,人们认为其等距群为SO3 × R,其中R表示一维平移。于是人们说这个度规是时间无关且具有球对称性的,认为R对应于时间平移。

在[x°, r, q, j]坐标系中,x°为时间标记,线元为(24)

经典上,人们设定x° = ct,这被认为是定义“外部观察者”的宇宙时间t。当r >> Rs时,(21)趋于闵可夫斯基度规。经典上,r被当作径向坐标。(21)显示了grr项的奇异性,并在r = Rs时改变了符号。

再一次,我们可以使用坐标变换(6)来规范化这个度规,转换到[t, r, q, j]系统。此时线元变为:(25)

等距群O3的轨道是球面。其中有一个,即喉部球面(施瓦茨希尔德球面),具有最小面积。该超曲面不是单连通的。它形成一个时空折叠,可以看作是两个四维时空半折叠(双胞胎折叠),第一个对应于r > 0,第二个对应于r < 0,因此喉部球面对应于r = 0。我们可以计算位于q = p/2平面内的测地线。按照“球坐标”:


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图6:球坐标。
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元素为dr² = r² ( dq² + sin²q dj² )

j = 常数的圆是球面的测地线,但显然它们不代表表面的所有测地线。只有经过两个对径点(极点)的那些。

q = 常数的圆不是测地线,除了对应于q = p/2的圆(赤道)。

在[r ≥ Rs, j]坐标系中,这些(非零长度)测地线对应于:(26)

常数集合[l, h]的选择决定了测地线。其中我们找到了类似双曲线的测地线,它们不穿过喉部球面r = Rs。见图7。

图7:施瓦茨希尔德几何。
[ r, j ]表示的不穿过喉部球面r = Rs的双曲线型平面测地线

我们还找到了准椭圆测地线。见图8

**图8:施瓦茨希尔德几何。
[ r, j ]表示的准椭圆测地线。 **

现在让我们关注穿过r = Rs喉部球面的测地线。在[r, j]表示中,设a为测地线切线与径向矢量之间的角度。(27)

第一个拉格朗日方程给出:(28)

对于r ≥ Rs的值,参数l严格为正。另一个拉格朗日方程是:(29)

并给出角度j相对于固有时s的单调变化。在这个(q = p/2)平面中,旋转取决于h的符号。

根据这种对施瓦茨希尔德几何的新解释(将其视为非单连通的超曲面),我们可以如图9所示在[r, j]表示中表示测地线。

图9a:[r, j]表示的穿过喉部球面(施瓦茨希尔德球面)的测地线,对应于h ≥ Rs

测地线的一部分用虚线表示,因为它被认为属于第二个三维半折叠,沿喉部球面(施瓦茨希尔德球面)与第一个半折叠相连。这暗示了某种断裂。但这种断裂是由于这种特殊的[r, j]表示系统,它更符合我们(有限的)人类几何直觉。在三维表示空间中,我们得到图9b。粒子似乎“弹跳”在施瓦茨希尔德球面上。


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图9b:在三维欧几里得表示空间中,粒子似乎弹跳在施瓦茨希尔德球面上。
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从这个角度来看,“施瓦茨希尔德球面内部什么都没有”,因为在这个“内部”,我们只是“在超曲面之外”。请记住,喉部球面,施瓦茨希尔德球面对应于r = 0。第一个半折叠对应于(r > 0),第二个对应于(r < 0)。

在[r, j]表示中,测地线的外观变得相当不同。我们计算测地线与径向矢量之间的角度b的正切(见图6)。(30)

当r趋近于±0时,thr ≈ r,因此:(31)

在[r, j]表示中,从一个半折叠到另一个半折叠的测地线与径向矢量相切。在原点处不再有角度不连续性,该点是喉部圆(r = 0)的图像。为了完整描述这些测地线,我们必须回到用[t = x°/c, r, q, j]坐标系表示的线元(24),使用拉格朗日方程组,其中:(32)

在这些方程中,我们找到了:(33)

对于给定的h值,j相对于固有时s的演变是单调的。

图10:[r, j]表示的穿过一个半折叠(r > 0)到另一个半折叠(r < 0)的测地线。 **

如前所述,属于第二个三维半折叠的测地线部分用虚线表示。

我们无法给出四维超曲面的嵌入,就像我们在文章开头对二维表面所做的那样。此外,我们处理的是四维测地线,而不是三维测地线。[r, q, j]和[r, q, j]空间只是表示空间,它们被设想为使事情更清晰一些。真正的测地线位于四维空间中。无论如何,[r, q, j]表示暗示了一个三维“超环面桥”,而[r, q, j]表示暗示了一个三维“超圆锥”。在这种二维表面的第二种(三维)表示中,测地线从一个半折叠穿过(r = 0)点到另一个半折叠。这类似于一个二维圆锥。见图11


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图11:圆锥的测地线。右图:一个具有圆锥点的表面。
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