共轭几何与广义相对论

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

  • 本文探讨了共轭几何的概念及其与正曲率和负曲率的关系。
  • 它解释了根据广义相对论,宇宙的几何结构由其能量-物质含量决定。
  • 引入了爱因斯坦张量的概念,用以将几何结构与质量及压强的分布联系起来。

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共轭几何。

...我们将关联一个钝角锥体和一个“钝角负锥体”,它们具有相同量的曲率,但符号相反:+q 和 -q。可以将它们面对面放置(同时建立一种“点对点对应”:双射、单射)。这样就有两个曲面。称它们为 F 和 F*。F 上的每一个点都对应 F* 上的一个点。

...设法使“钝化部分”的圆形轮廓(承载曲率,一个曲面上为正,另一个为负)一一对应。我们通过将整个结构投影到一个平面上来说明这一点。结果得到两个具有共轭曲率的曲面。

...圆锥侧面是“无曲率”的,它们属于欧几里得曲面元素。我们说,在这些曲面上的任意一点,局部曲率都为零。球冠与马鞍面一一对应,它们的曲率互为相反数。

广义相对论。

...其出发点是宇宙的几何结构由其“能量-物质”含量决定。值得注意的是,我们使用“能量-物质”这一术语,而不仅仅是“物质”,这清楚表明宇宙中任何内容都会影响几何结构,包括辐射、光子(或中微子)。我们之前已经看到,一个光子会在空间中产生一个微小的正曲率。

...我们将首先在静态情况下进行讨论。一个无张力的平面表面,就是张力为零的表面。我们可以通过引入正或负的张力来改变其几何形状(符号问题取决于约定)。例如,当我加热一个塑料薄膜时,我可以在其上产生一个凸起,即一个正曲率区域。

...我也可以在纸张表面涂上一种干燥时会收缩的物质。张力将导致出现一个负曲率区域。

...一位金属成形工懂得如何利用这些张力来变形金属板。例如,取一根金属管,一边加热,一边冷却。会发生什么?

金属管将发生弯曲,加热的一侧膨胀,冷却的一侧收缩。

...在此过程中,我们在金属中产生了张力。这正是“张量”一词在数学和几何学中的起源。材料力学专家称之为应力张量。几何学家则称之为曲率张量

上述小实验说明了如下思想:

局部能量含量 ----> 局部几何结构

...在广义相对论中,我们同样如此。区别在于,这里的局部能量-物质含量决定了四维超曲面的几何结构,而不是像这里那样决定二维曲面的几何结构。但思想是相似的。

...数学家将使用张量形式的表达方式。对于非数学背景的人,这里无法多做解释。但爱因斯坦张量 S(我们将使用粗体字母)对应几何方面。在爱因斯坦方程中,它与另一个张量 T 相等,后者描述能量-物质含量,仅相差一个乘性常数,即“爱因斯坦常数 c”。

因此,著名的爱因斯坦方程写作:

S = c T

...在张量 T 中,涉及体密度 r 和压强 p(实际上最一般的张量 T 更复杂,但我们仅采用这一常用表达式)。在静态情况下,我们将给定密度和压强的分布 r(x,y,z) 和 p(x,y,z)。由此,我们可以构造出张量 T,其中包含了问题的所有信息。问题是:与该张量 T 相匹配、满足上述方程的几何结构是什么?

...换句话说,物理学家在知道宇宙局部内容的情况下,试图确定宇宙超曲面的几何结构。

而几何结构意味着测地线。这时,广义相对论的第二个假设登场了:

假设宇宙中运动的物体

沿着时空超曲面的测地线运动。

这里的“物体”指粒子(所谓基本粒子、光子、中微子)以及行星、恒星等。

此时,需要说明一点:在整个理论中,粒子在哪里?

...回答是:广义相对论专家关注的是宏观尺度。问题的输入函数——体密度 r 和压强 p——是对宇宙内容的宏观描述。输出也是如此。几何学家会补充道:

  • 你给了我函数 r(x,y,z) 和 p(x,y,z),我为你构建了相应的超曲面及其测地线族。但我无法再进一步。我尤其无法为你制造出粒子、原子等。若想做到这一点,请另寻他法。

简言之:广义相对论与粒子物理之间的桥梁尚未建立。

但天文学家会说:

  • 无所谓。假设光子沿着该超曲面的某些测地线运动,这一假设是成立的。证据是:我可以进行观测。如果假设行星(视为质点质量)也沿着该超曲面的测地线运动,我就能构建出它们的轨道。此外,还有引力透镜效应……

他没错。

...让我们简要谈谈引力透镜效应。当然,上述钝角锥体的图像仅是一种教学用的比喻。一颗行星围绕恒星作圆周运动,同样沿着时空的测地线运动。然而,在一个钝角锥体上画出的圆并非测地线:

这仅仅说明了教学图像(即使几何图像)的局限性。

...光子确实沿着时空超曲面的测地线运动。我们可以用这个钝角锥体的图像来说明这一点。光线可以绕过一个大质量物体的两侧,然后汇聚到观测者处。如果我们投影这些测地线,就会产生一种海市蜃楼效应:观测者会误以为有两个光源,而非一个:

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