Vector de ucidere

În matematică , un vector Killing , sau câmpul Killing , este un câmp vector pe o varietate (pseudo-) Riemanniană care păstrează metrica acestei varietăți și îi evidențiază simetriile continue.

Intuitiv un vector Killing poate fi văzut ca un „câmp de deplasare  ” , adică asocierea cu un punct M al varietății punctul M ' definit de deplasarea lui M de -a lungul curbei care trece prin M al cărui vector tangent este. Proprietatea sa fundamentală este că acest câmp reprezintă o izometrie , adică păstrează distanțele. Astfel, distanța dintre două puncte M și N este egală cu distanța dintre imaginile lor M ' și N' prin acțiunea lui .

Aplicat pe o suprafață (varietatea dimensiunii 2) văzută ca fiind scufundată într-un spațiu tridimensional, un astfel de câmp face posibil, de exemplu, să-l „alunece” pe sine, fără ca acesta să se rupă sau să se încrețească.

Formularea matematică a acestei proprietăți se numește ecuația Killing . Aceasta precizează că derivatul Lie al metrică în raport cu vectorul Killing este zero, adică, în orice sistem de coordonate ,

,

D fiind derivatul covariant asociat metricei.

Din aceasta, deducem un anumit număr de proprietăți asociate vectorilor Killing.

Istorie

Eponim vectorului este Wilhelm KJ Killing (1847-1923), un matematician german care l-a introdus în1892.

Proprietăți

Divergenţă

Prin contractarea ecuației Killing cu metrica, obținem imediat:

.

Un vector Killing este întotdeauna divergență zero.

Constantele mișcării

Produsul punct al unui vector Killing cu vectorul tangent al unei geodezice este constant de-a lungul unei căi. Dacă notăm acest vector tangent, avem deci

,

operatorul reprezentând derivata în raport cu un parametru afin al geodeziei.

Demonstrație

Operatorul se poate rescrie singur, în conformitate cu definiția unui geodezic,

.

Deci avem

.

Folosind regula derivatelor a lui Leibniz , obținem apoi

.

Al doilea termen de egalitate este zero. Într-adevăr, însăși definiția unui geodezic este că vectorul său tangent este păstrat de-a lungul geodeziei, adică

.

Primul termen de egalitate este, de asemenea, zero. Într-adevăr, ecuația Killing indică faptul că tensorul este antisimetric. Prin urmare, contracția sa cu un tensor simetric este zero. Deci avem

.  

Această proprietate este utilă în special pentru integrarea ecuației geodezice. Într-adevăr, existența unui număr suficient de vectori Killing face posibilă prezentarea unui număr suficient de constante de mișcare care permit rezoluția imediată și explicită a ecuației geodezice . Un exemplu simplu este cel al metricei Schwarzschild , care este simetrică sferic și static. Prima proprietate permite prezentarea a doi vectori Killing și a doua un vector Killing suplimentar. Constantele mișcării sunt asociate cu standardul momentului unghiular , proiecția acestuia de-a lungul unei axe și o cantitate în care o abordare nerelativistă ar putea fi identificată cu energia particulelor. Astfel, legile obișnuite ale conservării energiei și ale impulsului unghiular al mecanicii clasice sunt traduse în relativitate generală prin existența vectorilor Killing.

Relația cu tensorul Riemann

Luând derivata ecuației Killing și folosind proprietățile de comutare a derivatelor covariante, obținem o ecuație care leagă a doua derivată a unui vector Killing cu tensorul Riemann . Această relație este scrisă:

. Demonstrație

Din ecuația Killing, efectuăm o derivare suplimentară. Prin urmare, obținem:

.

Derivații covarianți nu fac naveta în general, dar pot fi comutați dacă le adăugăm un termen suplimentar folosind tensorul Riemann (aceasta este chiar definiția tensorului Riemann):

.

Obținem astfel

.

Putem rescrie această ecuație efectuând permutări pe indicii a , b și c  :

. .

Luând suma acestor trei egalități, obținem

.

În virtutea primei identități a lui Bianchi , termenii membrului din dreapta se anulează reciproc. Deci avem

.

Prin scăderea acestui lucru din prima egalitate care implică tensorul Riemann, atunci vine

.  

Această relație are o serie de consecințe interesante:

Relațiile cu teorema lui Noether

Contracția unui vector Killing cu tensorul energie-impuls face posibilă prezentarea unui vector de divergență zero.

Demonstrație

Într-adevăr, divergența cantității dă

.

Primul termen este zero, deoarece este contracția unui tensor simetric ( ) și a unui tensor antisimetric ( , conform ecuației Killing). Al doilea termen este, de asemenea, zero, deoarece impulsul tensorului energetic este, prin definiție, divergența zero ( ). Deci avem

.  

Existența acestui vector de divergență zero face posibilă definirea mărimilor conservate prin intermediul teoremei lui Noether .

În spațiul Minkowski și în coordonatele carteziene , vectorul notat este un vector Killing, care spune pur și simplu că spațiul Minkowski este invariant de translație în timp. Aceasta implică apoi conservarea energiei . La fel, vectorii sunt și vectori Killing. Implică conservarea impulsului . Niciunul dintre acești vectori nu este, totuși, un vector Killing într-un univers în expansiune . Acesta este motivul pentru care energia radiației electromagnetice nu este conservată în timp: este fenomenul de redshift . În general, nu există neapărat vectori Killing în orice spațiu-timp . Acest lucru implică faptul că, în relativitatea generală , nu există conservare a energiei, cu excepția cazurilor speciale, cum ar fi spațiile plane asimptotic .

De asemenea , în spațiu Minkowski, vectorii , , sunt , de asemenea , vectori Killing. Existența acestor vectori implică conservarea impulsului unghiular . La fel, vectorii sunt trei vectori Killing. În limita nerelativist, acestea corespund cantității , adică valoarea i - lea de coordonate în acest moment . Acești vectori, în număr de 10, formează toți vectorii Killing liniar independent de spațiul Minkowski.

Algebra Lie a vectorilor Killing

Cârligul Lie a doi vectori Killing și este , de asemenea , un vector Killing

Demonstrație

Cârligul Lie al parului este scris, în termeni de componente,

.

Pentru ca acest vector să fie un vector Killing, trebuie și este suficient să satisfacă ecuația Killing. Prin urmare, calculăm

.

Termenii care conțin produse din primele două derivate pot fi manipulate folosind ecuația Killing pentru și , astfel încât indicele c să nu se raporteze la derivatul covariant, ci la vector. Astfel, avem

,

deoarece termenii se anulează reciproc. Pentru termeni care includ derivate secundare, ecuațiile Killing sunt de asemenea utilizate pentru a elimina indicele c din derivatele covariante. Avem

Recunoaștem comutatorul derivatelor covariante, pe care îl putem rescrie folosind tensorul Riemann  :

.

Folosind în cele din urmă relațiile de antisimetrie pe cele două perechi de indici ai tensorului Riemann și prin inversarea indicilor silențioși c și d pe unul dintre cei doi membri ai rezultatului, obținem

. Deci, cârligul Lie al a doi vectori Killing este, de asemenea, un vector Killing.  

Acest lucru face posibilă dotarea spațiului vectorilor Killing cu o structură algebră Lie . În relativitatea generală, prin aceasta se efectuează anumite clasificări ale spațiului-timp, cum ar fi clasificarea Bianchi menționată mai sus, care se referă la spațiu-timpurile cu patru dimensiuni ale căror secțiuni spațiale sunt omogene .

Transformare conformă

În timpul unei transformări conformale , un vector Killing își pierde proprietatea fundamentală și nu mai satisface ecuația Killing. Cu toate acestea, satisface o altă ecuație care, în anumite cazuri, se poate dovedi a fi interesantă. Vorbim apoi despre un vector de ucidere conform .

Spațiu-timp static

În relativitatea generală , un spațiu-timp (sau o regiune a acestuia) se spune că este static dacă admite un vector Killing de tip timp care poate fi văzut ca normal la hipersuprafețe. Pentru aceasta, pe lângă ecuația Killing, vectorul Killing trebuie să fie proporțional cu un gradient (hipersuprafețele pot fi văzute ca regiuni în care un anumit parametru este constant). Această ultimă condiție este scrisă în formă

,

pe care o dovedim datorită unei teoreme a lui Frobenius . Într-un spațiu-timp cu patru dimensiuni, această condiție este atunci echivalentă cu cea de pe forma duală asociată,

,

unde este un tensor complet antisimetric în toți indicii săi.

Schwarzschild metric este un exemplu de statică spațiu-timp în regiune în afara razei Schwarzschild . Reissner-Nordström metrica are aceeași proprietate. Metrica unor astfel de spații poate fi scrisă într-un anumit sistem de coordonate în formă

.

Staticitatea poate fi văzută:

  1. Prin faptul că metrica nu depinde de coordonata t (ecuația Killing)
  2. Prin faptul că nu există termeni în (ortogonalitate față de suprafețe)

Spațiu-timp staționar

Se spune că un spațiu-timp este staționar dacă admite un vector Killing de tip timp, fără ca acesta din urmă să aibă proprietatea de ortogonalitate față de suprafețe. În sistemul de coordonate precedent, valoarea asociată este mai generală:

.

Spațiu-timp axisimetric

Se spune că un spațiu-timp este aximetric dacă este staționar (are deci un vector Killing de tip timp , vezi mai sus) și are un alt vector Killing de tip spațial al cărui flux formează curbe închise și care face naveta cu precedentul:

.

Kerr metric și Kerr-Newman metrice sunt cunoscute exemple de valori axisimetrice. Spus bivector , din motive evidente, Sacrificarea joacă un rol important în dovezile teoreme singularitate .

Spațiu-timp la simetrie maximă

Se spune că un spațiu-timp este la simetrie maximă - sau simetrică maxim  - dacă are un număr maxim de vectori de ucidere, și anume:, unde este numărul de dimensiuni ale spațiului-timp.

Generalizări

O ecuație de tipul ecuației Killing poate fi generalizată la tensori de ordin superior . Se vorbește atunci, conform generalizării alese, de tensorul uciderii sau tensorul uciderii-Yano . În cadrul teoremelor asupra singularităților , introducem uneori conceptul de bivector Killing , format folosind doi vectori Killing.

Note și referințe

Note

  1. Termenul de vector este un abuz al limbajului clasic în fizică, care asimilează cu ușurință element și set, vector și câmp de vectori .
  2. Cantitatea conservată este factorul Lorentz γ, care este o constantă egală în limita nerelativistă cu suma energiei de masă și a energiei cinetice .
  3. În cazul relativist, cantitatea conservată este poziția înmulțită cu factorul Lorentz , care în sine este o cantitate conservată deoarece este un vector Killing (vezi mai sus).

Referințe

  1. Alkseevskiĭ 1995 , p.  391, col.  2 .
  2. Penrose 2007 , cap.  14 , §  14.7 , p.  312.
  3. Taillet, Villain and Febvre 2018 , sv Killing (vector of), p.  411, col.  1 .
  4. Hawkins 2000 , cap.  4 , §  4.5 , p.  128, nr.  20 .
  5. Hawkins 2000 , p.  530.
  6. Misner, Thorne și Wheeler 1973 , cap.  25 , §  25.2 , p.  650, n.  istor. .
  7. Misner, Thorne și Wheeler 1973 , p.  1238, col.  1 .
  8. Uciderea 1892 , p.  167.
  9. Peter și Uzan în 2012 , 2 e  hand. , cap.  3 , sect. 3.6 , §  3.6.1 , p.  176.
  10. Barrau și Grain 2016 , cap.  7 , sect. 7.1 , §  7.1.2 , p.  129.
  11. Heyvaerts 2012 , cap.  10 , sect. 10.2 , §  10.2.1 , p.  142.
  12. Carroll 2019 , cap.  3 , §  3.9 , p.  140.
  13. Hawking și Ellis 1973 , cap.  2 , §  2.6 , p.  44.

Vezi și tu

Bibliografie

Manuale de curs Dicționare și enciclopedii Articol original

Articole similare

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">