球体的总曲率

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

  • 该页面解释了如何通过测地三角形来测量球面的曲率。
  • 它探讨了局部曲率的概念及其对几何形状的影响。
  • 同时也提及了测地线与广义相对论中轨迹之间的关系。

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总曲率。

** ...我们可以将许多小的posicônes拼接起来制造一个球体。但在这一过程中,这个具有恒定曲率(或曲率密度,或局部曲率)的表面会闭合起来。因此,它包含了一定的曲率,但究竟是多少呢?

...如果我在球面上画一个测地三角形,它将包围一定数量的小posicônes,也就是一定的“曲率量”,这个量表现为一个角度。这个角度将简单地与三角形的面积成正比,更准确地说,是与三角形面积s和球体表面积S之比成正比。

...但之前我们已经看到,当我们在一个由拼接的posicônes构成的表面上画一个测地三角形时,其内角和与欧几里得三角形的内角和之间的偏差,等于该三角形内部所包含的每个锥顶点处集中曲率的总和。因此,只需测量上述由三个球面测地弧构成的三角形的三个角a、b、g之和,即可得到该三角形所包含的角曲率的度量。球面的测地线就是其“大圆”。

...将我们的球体切成八等份,我们将得到八个由测地弧构成的三角形,每个三角形的三个角均为直角。

...因此,每个三角形包含的曲率等于π/2。由于共有八个这样的三角形,球体的总曲率即为4π。

...这个小小的观察说明,我们可以通过极其简单的推理来构建几何结果。

...回到钝锥体的主题,我们可以看出物体侧面的形态取决于其“内部所包含”的曲率量,这种曲率可以是点状的(锥顶点),也可以分布在一段球冠上。我们可以通过相似缩放的方式,将球冠不断缩小并趋近于一点,同时保持其包含的“曲率总量”不变。

轨迹。

...在广义相对论中,核心思想很简单:将物体、粒子、光子或物质的轨迹视为测地线。当然,这些是四维超曲面上的测地线。因此,我们在这里也只能借助一些教学性的图像。

如果我们取一个钝锥体,可以在其表面画出测地线,然后将它们投影到一个平面上。

...所有粒子都沿着超曲面的测地线运动:包括物质粒子,也包括光子和中微子。这正是我们曾戏谑地画出一条完全穿过物体的测地线的原因。中微子可以毫无阻碍地穿过太阳。

...但我们将这些测地线投影到的平面究竟是什么?这正是我们用来表示空间的方式。我们的“心理宇宙”完全是欧几里得的,我们的思维是“平面”的。当我们看到一颗彗星掠过太阳时,我们绝不会想到,实际上它正“笔直前行”,即沿着超曲面的测地线运动。我们对世界的感知,正是图24' 所示的情形:一个天体“吸引”着经过其附近的物体。

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