曲率与测地三角形

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

  • 文本解释了曲面的曲率如何影响测地三角形内角和。
  • 通过比较平面、弯曲表面以及圆锥和球面的例子,说明了局部曲率。
  • 提到了广义相对论,指出物质密度与时空曲率之间的联系。

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曲率(正值)。

...当我们在一个平面上画出由测地线构成的三角形时,其顶角之和为π。平面是一种平坦的“非曲面”欧几里得表面。因此,该三角形的角和为欧几里得角和。在之前的实验中我们看到,如果三角形不包含我们圆锥的顶点,那么角和仍为欧几里得值。然而,当三角形包含顶点S时,无论三角形如何,其角和都会出现一个超出量q。我们将圆锥的顶点称为“集中曲率点”。

...现在我们可以进行其他实验。制作两个圆锥,分别用角度q1和q2进行切割,然后将这两个曲面部分粘合在一起。

...更简单的方法是在一张厚纸板上进行两次切割,制作出如下曲面:

你可以在该曲面上画出任意数量的测地三角形:

  • 不包含S1或S2:角和为π

  • 仅包含S1:角和为π + q1

  • 仅包含S2:角和为π + q2

  • 同时包含S1和S2:角和为π + q1 + q2

...我们可以很容易想象,可以制作出许多角度增量Δq很小的微型圆锥,并将它们彼此粘合。甚至可以设法使单位面积上的曲率密度保持恒定,将这种曲率等同于每个微型圆锥顶点所对应的Δq之和。

...通过使这些微型圆锥越来越小(以及与之对应的微小角度Δq也相应减小),我们可以用这种方法构造出具有“恒定曲率密度”的曲面部分。

球面是一种具有恒定曲率密度的曲面。我们更简单地称之为“局部曲率恒定”。

一个鸡蛋是一种曲率密度可变的曲面。我们更简单地称之为“局部曲率可变”。

...广义相对论的核心在于将体密度ρ与局部曲率联系起来。当然,广义相对论处理的并非二维或三维曲面,而是四维超曲面。因此,我们不应过分苛求上述描述,这些图形仅作为教学示意图,帮助我们理解概念。但这些示意图其实并不差。

天体的二维教学图像。

像太阳这样的天体是物质的集中体,周围即使不是真空,至少也是接近真空的区域(即曲率极小的区域)。在二维情况下,教学图像表现为一个钝化圆锥。

...一个钝化圆锥由两部分构成:一个曲率恒定(或“曲率密度恒定”)的球冠,以及一个圆锥台。该圆锥台是“平坦的”,其曲率密度为零,属于欧几里得曲面。这正是质量密度ρ恒定的天体的二维教学图像。

...顺便可以思考一下:如何完美地连接一个圆锥台与一个球冠,使得切平面保持连续?

...这其实很简单。圆锥台由一个圆锥切割而成,其切割角度为q。球冠包含一定的“曲率量”,这个量也是一个角度,即构成该球冠的所有微型圆锥顶点角度之和。这两个角度必须相等。

但如何计算给定球冠所包含的曲率量呢?

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