응력-에너지 텐서

Stress–energy tensor
응력-에너지 텐서의 반변 성분.

응력-에너지 텐서(stress-energy-momentum tensor) 또는 에너지-운동량 텐서(energy-momentum tensor)는 시공간에서 에너지운동량밀도플럭스를 설명하는 텐서 물리량으로 뉴턴 물리학응력 텐서를 일반화합니다. 이것은 물질, 방사선비중력장의 속성입니다. 뉴턴 중력에서 질량 밀도가 그러한 장의 근원이 되는 것처럼, 이 밀도와 에너지와 운동량의 플럭스는 일반 상대성 이론의 아인슈타인 방정식에서 중력장의 근원이 됩니다.

정의.

스트레스-에너지 텐서는 위첨자 변수의 사용을 포함합니다(지수가 아니라 텐서 인덱스 표기법아인슈타인 합산 표기법 참조). 자연 단위직각좌표를 사용하는 경우 위치 4 vector x의 성분은 다음 같습니다. (x, x, x, x) = (t, x, y, z) 여기서 t는 초 단위의 시간이고 x, y, z미터 단위의 거리입니다.

응력-에너지 텐서는 일정한 xβ 좌표를 갖는 표면을 가로질러 운동량 벡터의 α번째 성분의 플럭스를 제공하는 2차 텐서 Tαβ 정의됩니다. 상대성 이론에서 이 운동량 벡터는 4운동량으로 간주됩니다. 일반 상대성 이론에서 응력-에너지 텐서는 대칭이고,[1]

아인슈타인-카르탄 이론과 같은 다른 이론에서는 기하학적으로 0이 아닌 비틀림 텐서에 해당하는 0이 아닌 스핀 텐서 때문에 응력-에너지 텐서가 완벽하게 대칭되지 않을 수 있습니다.

구성 요소들

응력-에너지 텐서는 차수가 2이기 때문에, 그 성분들은 4×4 행렬 형태로 표시될 수 있습니다.

여기서 지수 μ와 ν는 0, 1, 2, 3의 값을 갖습니다.

다음에서 k ℓ의 범위는 1 ~ 3입니다.

  1. 시간-시간 성분은 상대론적 질량의 밀도, 즉 에너지 밀도를 빛의 속도 제곱으로 나눈 값이며, 동시에 움직이는 기준틀에 있습니다.[2] 직접적인 물리적 해석이 있습니다. 완벽한 유체의 경우 이 구성 요소는

    여기서ρrho}는 단위 부피당 상대론적 질량이며, 그렇지 않으면 빈 공간의 전자기장에 대해 이 성분은

    여기서 EB는 각각 전기장과 자기장입니다.[3]
  2. x면k 가로지르는 상대론적 질량의 플럭스는 선운동량의 k번째 성분의 밀도와 같으며,
  3. 구성요소는
    x 표면을 가로지르는 선형 운동량의 k번째 성분의 플럭스를 나타냅니다. 특히.
    ( 합산되지 않음)은 k번째 좌표 방향(k = 1, 2, 3)의 정상 응력을 나타내며, 이를 모든 방향에서 동일할 때 "압력"이라고 합니다. 나머지 구성품
    전단 응력(응력 텐서와 compare)을 나타냅니다.

고체 물리학유체 역학에서 응력 텐서는 적절한 기준 프레임에서 응력-에너지 텐서의 공간 성분으로 정의됩니다. 즉, 공학에서 응력-에너지 텐서는 상대론적 응력-에너지 텐서와 운동량-대류 항이 다릅니다.

공변형과 혼합형

이 기사의 대부분은 응력-에너지 텐서의 반변형 형태μν T와 함께 작동합니다. 그러나 공변량 형태로 작업해야 하는 경우가 많습니다.

또는 혼합된 형태로,

또는 혼합 텐서 밀도로서

이 문서에서는 메트릭 서명에 공간 기호 규칙(-+++)을 사용합니다.

보존법

특수상대성이론에서

응력-에너지 텐서는 시공간 변환과 관련된 보존된 노터 전류입니다.

비중력 응력-에너지의 발산은 0입니다. 즉, 비중력 에너지와 운동량은 보존되고,

중력이 무시할 수 있고 시공간에 대해 직각좌표계를 사용할 때, 이것은 다음과 같은 편미분으로 표현될 수 있습니다.

비공변량 공식의 적분 형태는 다음과 같습니다.

여기서 은 시공간의 임의의 콤팩트한 4차원 영역, ∂ N \N}은 경계, 3차원 , ν {d}^{3}s_{\n(는) 바깥쪽을 가리키는 법선으로 간주되는 경계의 요소입니다.

평평한 시공간에서 직각좌표를 사용하여 이것을 응력-에너지 텐서의 대칭과 결합하면 각운동량도 보존된다는 것을 알 수 있습니다.

일반상대성이론

중력이 무시할 수 없는 경우 또는 임의의 좌표계를 사용할 때, 응력-에너지의 발산은 여전히 사라집니다. 그러나 이 경우 공변량 도함수를 포함하는 발산의 좌표가 없는 정의가 사용됩니다.

여기서 γμ σ ν ^{\_{\sigma \n 크리스토펠 기호중력장입니다.

따라서,ξ μ ^{\mu }가 임의의 킬링 벡터 필드라면, 킬링 벡터 필드에 의해 생성된 대칭성과 관련된 보존 법칙은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

이것의 필수적인 형태는

특수상대성이론에서

특수 상대성 이론에서 응력-에너지 텐서는 운동량 및 에너지 플럭스 밀도 외에도 주어진 시스템의 에너지 및 운동량 밀도에 대한 정보를 포함합니다.[4]

필드ϕ α _alpha }} 및 그 도함수의 함수인 라그랑지안 밀도 이 주어졌을 때, 명시적으로 시공간 좌표가 아닌, 우리는 시스템의 일반화된 좌표 중 하나에 대한 총 도함수를 살펴봄으로써 표준 응력-에너지 텐서를 구성할 수 있습니다. 그래서 우리 조건으로.

체인 규칙을 사용함으로써 우리는

유용한 속기로 쓰여져 있고,

그러면 오일러-라그랑주 방정식을 사용할 수 있습니다.

그런 다음 부분 파생상품이 통근한다는 사실을 사용하여 현재 우리가

오른쪽을 제품 규칙으로 인식할 수 있습니다. 그것을 함수의 곱의 도함수로 쓰면 다음과 같은 것을 알 수 있습니다.

이제 평평한 공간에서 ν =∂ μ [δ ν μ] {\displaystyle d_{\n 이렇게 하고 방정식의 다른 쪽으로 이동하면 다음과 같이 알 수 있습니다.

그리고 용어를 다시 정리하면,

이는 괄호 안의 텐서의 발산이 0이라는 것을 의미합니다. 실제로 이를 통해 응력-에너지 텐서를 정의합니다.

건설에 의해 그것은 다음과 같은 속성을 갖습니다.

이 텐서의 발산 없는 속성은 4개의 연속 방정식과 동일합니다. 즉, 필드에는 연속성 방정식을 따르는 수량 집합이 최소 4개 있습니다. 예를 들어, 시스템의 에너지 밀도이므로 응력-에너지 텐서에서 해밀턴 밀도를 얻을 수 있음을 알 수 있습니다.

∂ μ T 0 = 0 \partialmu}{0}^{\}=0}을 관찰하면 다음과 같습니다.

다음 ∂ ∂ ∇ ϕ α의 항이 {\ {\ {L}}}{\partial \n이라고 결론지을 수 있습니다.는 시스템의 에너지 플럭스 밀도를 나타냅니다.

추적하다

응력-에너지 텐서의 추적은 μ 로 정의되므로

δ = \delta _{\mu}^{\=4}이므로,

일반상대성이론

일반 상대성 이론에서 대칭 응력-에너지 텐서는 시공간 곡률의 근원으로 작용하며, 일반적인 곡선 좌표 변환인 중력의 게이지 변환과 관련된 전류 밀도입니다. (만약 비틀림이 있다면, 텐서는 더 이상 대칭이 아닙니다.) 이는 아인슈타인-카르탄 중력 이론에서 스핀 텐서가 0이 아닌 경우에 해당합니다.)

일반 상대성 이론에서는 특수 상대성 이론에서 사용되는 편미분공변 미분으로 대체됩니다. 이것이 의미하는 바는 연속성 방정식이 더 이상 텐서에 의해 표현되는 비중력 에너지와 운동량이 절대적으로 보존된다는 것을 의미하지 않는다는 것입니다. 즉, 중력장은 물질에 대한 작업을 할 수 있고 그 반대도 가능합니다. 뉴턴 중력의 고전적 한계에서 이것은 운동 에너지가 텐서에 포함되지 않은 중력 위치 에너지와 교환되고 운동량은 장을 통해 다른 물체로 전달된다는 간단한 해석을 가지고 있습니다. 일반 상대성 이론에서 란다우-리프시츠 의사 텐서는 중력장 에너지와 운동량 밀도를 정의하는 독특한 방법입니다. 이러한 응력-에너지 의사 텐서는 좌표 변환에 의해 국부적으로 사라지도록 만들 수 있습니다.

곡선 시공간에서 공간과 같은 적분은 이제 일반적으로 공간과 같은 슬라이스에 의존합니다. 사실 일반적인 곡선 시공간에서 글로벌 에너지-운동량 벡터를 정의하는 방법은 없습니다.

아인슈타인 장방정식

일반 상대성 이론에서 스트레스-에너지 텐서는 종종 다음과 같이 쓰여진 아인슈타인 필드 방정식의 맥락에서 연구됩니다.

여기서 ν {\{\mu \n리치 텐서, R 은 리치 스칼라(리치 텐서의 텐서 수축), g {\{\mu \n메트릭 텐서, 우주 상수(은하 이하의 규모에서는 무시할 수 있음), G 뉴턴 중력 상수입니다.

특수한 상황에서의 스트레스 – 에너지

단립자

특수 상대성 이론에서 정지 질량 m과 궤적 x ( _를 갖는 상호작용하지 않는 입자의 응력-에너지는 다음과 같습니다.

는 속도 벡터입니다γ\gamma }이(가) 없으므로 4개의 velocity와 혼동해서는 안 됩니다).

lta 디랙 델타 이고 E = 2 2 + 2 c 4 {\ E}+m2}c^{4}}는 입자의 에너지입니다.

고전물리학의 언어로 작성된 응력-에너지 텐서는 (상대론적 질량, 운동량, 운동량과 속도의 2차 곱)

2 p

평형상태에 있는 유체의 응력-에너지

열역학적 평형 상태에 있는 완벽한 유체의 경우 응력-에너지 텐서는 특히 단순한 형태를 갖습니다.

where is the mass–energy density (kilograms per cubic meter), is the hydrostatic pressure (pascals), is the fluid's four-velocity, and is the matrix inverse of the metric tensor. 따라서, 그 흔적은 다음과 같이 주어집니다.

4-속도는 다음을 만족합니다.

유체의 적절한 기준 프레임으로 더 잘 알려진 유체와 함께 이동하는 관성 기준 프레임에서 4-속도는

메트릭 텐서의 행렬 역은 단순합니다.

응력-에너지 텐서는 대각선 행렬입니다.

전자기 응력-에너지 텐서

원천이 없는 전자기장의 힐베르트 응력-에너지 텐서는

여기서 ν {\{\mu \n 전자기장 텐서입니다.

스칼라장

클라인-고든 방정식을 만족하는 복소 스칼라장ϕphi}에 대한 응력-에너지 텐서는

메트릭이 평평한 경우(데카르트 좌표로 민코프스키) 구성 요소는 다음과 같습니다.

응력-에너지의 변형 정의

비중력 응력-에너지에 대한 여러 가지 부등식 정의가[5] 있습니다.

힐베르트 응력-에너지 텐서

힐베르트 응력-에너지 텐서는 함수 도함수로 정의됩니다.

서, 작용의 비중력 부분, 라그랑지안 밀도의 비중력 부분이며 오일러-라그랑지 방정식이 사용되었습니다. 이것은 대칭적이고 게이지 불변입니다. 아인슈타인 참조-자세한 정보를 얻기 위해 힐베르트의 행동.

표준 응력-에너지 텐서

노에테르의 정리는 공간과 시간을 통한 이동과 관련된 보존된 전류가 존재한다는 것을 의미합니다. 자세한 내용은 특수 상대성 이론의 응력-에너지 텐서에 대한 위 절을 참조하십시오. 이를 표준 응력-에너지 텐서(canonical stress-energy tensor)라고 합니다. 일반적으로 이것은 대칭적이지 않으며 게이지 이론이 있는 경우 공간 의존적 게이지 변환이 공간 변환과 함께 전달되지 않기 때문에 게이지 불변이 아닐 수 있습니다.

일반 상대성 이론에서 번역은 좌표계와 관련이 있으므로 공변량으로 변환하지 않습니다. 중력 응력-에너지 의사 텐서에 대한 아래 절을 참조하십시오.

벨린판테-로젠펠트 응력-에너지 텐서

스핀이나 다른 고유한 각운동량이 있는 경우 표준 노에더 응력-에너지 텐서는 대칭이 되지 않습니다. 벨린판테-로젠펠트 응력-에너지 텐서는 표준 응력-에너지 텐서와 스핀 전류를 대칭적이고 여전히 보존되는 방식으로 구성됩니다. 일반 상대성 이론에서 이 수정된 텐서는 힐베르트 응력-에너지 텐서와 일치합니다.

중력 응력-에너지

등가 원리에 의해 중력 스트레스-에너지는 어떤 선택된 프레임의 어떤 지점에서 항상 국소적으로 사라질 것이고, 따라서 중력 스트레스-에너지는 0이 아닌 텐서로 표현될 수 없습니다. 대신 의사 텐서를 사용해야 합니다.

일반 상대성 이론에서는 중력 스트레스-에너지-운동량 의사 텐서에 대한 많은 뚜렷한 정의가 있습니다. 여기에는 아인슈타인 의사 텐서와 란다우-리프시츠 의사 텐서가 포함됩니다. 적절한 좌표계를 선택함으로써 시공간의 어떤 사건에서도 Landau-Lifshitz 의사 텐서를 0으로 줄일 수 있습니다.

참고 항목

참고자료 및 참고자료

  1. ^ Misner, Thorne 및 Wheeler의 141-142쪽에서 섹션 5.7 "응력-에너지 텐서의 대칭"은 "위에서 탐색된 모든 응력-에너지 텐서는 대칭이었다"로 시작합니다. 그렇지 않았더라면 그들이 존재할 수 없었을 것이라는 것을 다음과 같이 봅니다."
  2. ^ Misner, Charles W.; Thorne, Kip S.; Wheeler, John A. (1973). Gravitation. San Francisco, CA: W.H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-0334-3.
  3. ^ d'Inverno, R.A. (1992). Introducing Einstein's Relativity. New York, NY: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-859686-8.
  4. ^ Landau, L.D.; Lifshitz, E.M. (2010). The Classical Theory of Fields (4th ed.). Butterworth-Heinemann. pp. 84–85. ISBN 978-0-7506-2768-9.
  5. ^ Baker, M.R.; Kiriushcheva, N.; Kuzmin, S. (2021). "Noether and Hilbert (metric) energy–momentum tensors are not, in general, equivalent". Nuclear Physics B. 962 (1): 115240. arXiv:2011.10611. Bibcode:2021NuPhB.96215240B. doi:10.1016/j.nuclphysb.2020.115240. S2CID 227127490.

외부 링크