度規(guī)張量的幾何意義和物理意義

——紀(jì)念廣義相對(duì)論誕生100周年

蔡志東1 ,葛宇宏2

(1.鎮(zhèn)江高等專(zhuān)科學(xué)校 丹陽(yáng)師范學(xué)院，江蘇 丹陽(yáng) 212300；

2.南京科技職業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，江蘇 南京 210048)

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度規(guī)張量的幾何意義和物理意義

——紀(jì)念廣義相對(duì)論誕生100周年

蔡志東1,葛宇宏2

(1.鎮(zhèn)江高等專(zhuān)科學(xué)校 丹陽(yáng)師范學(xué)院，江蘇 丹陽(yáng) 212300；

2.南京科技職業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，江蘇 南京 210048)

摘要：度規(guī)張量是廣義相對(duì)論的核心,要想真正理解廣義相對(duì)論,必須首先理解度規(guī)張量.系統(tǒng)論述了度規(guī)張量的幾何意義和物理意義以及它的一些重要特性, 利用度規(guī)張量的意義和等效原理可以快速確定史瓦西度規(guī).

關(guān)鍵詞：度規(guī)張量；基矢；張量勢(shì)；贗引力勢(shì)

度規(guī)張量究竟表示什么？為什么它能隨意升降張量的指標(biāo)？迄今為止，尚未見(jiàn)到有人對(duì)此作出系統(tǒng)的論述，本文將用通俗易懂的語(yǔ)言系統(tǒng)回答這些問(wèn)題.

1　張量的三種定義

首先介紹一下張量的一般定義：若有一個(gè)物理量,有a個(gè)上標(biāo)λ1,λ2…λa,b個(gè)下標(biāo)σ1,σ2…σb,每個(gè)指標(biāo)均可以從1取到n,如果每一個(gè)上指標(biāo)(逆變指標(biāo))均按照逆變矢量的變換規(guī)律而變,每一個(gè)下指標(biāo)(協(xié)變指標(biāo))均按照協(xié)變矢量的變換規(guī)律而變,則該物理量就稱(chēng)之為a階逆變,b階協(xié)變,總階數(shù)為(a+b)階的混合張量,其變換規(guī)律為

(1)

(2)

2　度規(guī)張量的定義及其對(duì)稱(chēng)性

黎曼認(rèn)為,在n維空間中,無(wú)限靠近的兩點(diǎn)之間的距離平方可以表示為：ds2=gμ νdxμdxν,它不隨坐標(biāo)系的變換而變,是一個(gè)坐標(biāo)變換的不變量或標(biāo)量(這樣的空間稱(chēng)之為黎曼空間),其中的gμ ν定義為黎曼空間的(協(xié)變)度規(guī)張量,簡(jiǎn)稱(chēng)為協(xié)變度規(guī).事實(shí)上,因dxμ,dxν均為逆變矢量,所以根據(jù)張量的外積定義(張量可以看成矢量的外積)可知,dxμdxν=dxνdxμ為二階逆變對(duì)稱(chēng)張量.由張量的內(nèi)秉定義可得：gμ ν為二階協(xié)變張量.容易證明：對(duì)稱(chēng)張量和反對(duì)稱(chēng)張量的內(nèi)積必為零.所以度規(guī)張量gμ ν和對(duì)稱(chēng)張量dxμdxν的內(nèi)積只有其對(duì)稱(chēng)部分有貢獻(xiàn),因此，我們一般認(rèn)為度規(guī)張量gμ ν為對(duì)稱(chēng)張量(事實(shí)上,這一性質(zhì)可直接由它的意義得到).

3　度規(guī)張量具有升降指標(biāo)的作用

AμAμ=λμ νAμAν=R=g0k1k2ds2=

g0k1k2gμ νdxμdxν=g0gμ ν(k1dxμ)(k2dxν)

(3)

4　度規(guī)張量的幾何意義

4.1混合度規(guī)張量的特性及n維空間中距離微元平方ds2的最一般表示

根據(jù)上面所述,度規(guī)具有升降指標(biāo)的作用,由此我們可以寫(xiě)出n維空間中,無(wú)限靠近的兩點(diǎn)之間的距離微元平方ds2的最一般表達(dá)式

ds2=gμ νdxμdxν=dxνdxν=dxμdxμ=

gμ νdxμdxν=dxνdxν=dxμdxμ=

(4)

4.2度規(guī)張量的幾何意義

4.2.1協(xié)變度規(guī)的幾何意義

迄今為止,很少見(jiàn)到有人能對(duì)度規(guī)張量的幾何意義和物理意義作出系統(tǒng)的解釋,這對(duì)初學(xué)者而言,是一個(gè)極大的障礙,是跨入廣義相對(duì)論大門(mén)的最大絆腳石.

眾所周知,選擇不同的坐標(biāo)系實(shí)際上就是選擇不同的基矢，在球坐標(biāo)系中(r,θ,φ),設(shè)3個(gè)正交方向的單位矢量分別為：er,eθ,eφ,則空間任意兩個(gè)無(wú)限鄰近的點(diǎn)之間的矢量為ds=drer+rdθeθ+rsinθdφeφ=(er)dr+(reθ)dθ+(rsinθeφ)dφ=αrdr+αθdθ+αφdφ,其中αr=er,αθ=reθ,αφ=rsinθeφ為3個(gè)方向的基矢,由此得ds2=ds·ds=(αr·αr)dr2+(αθ·αθ)dθ2+(αφ·αφ)dφ2=dr2+r2dθ2+r2sin2θdφ2.根據(jù)度規(guī)的定義可知,g11=grr=α1·α1=αr·αr=1,g22=gθθ=α2·α2=αθ·αθ=r2,g33=gφφ=α3·α3=αφ·αφ=r2sin2θ,其他交叉項(xiàng)gij=αi·αj=0(i≠j).

不失一般性,在任意n維非正交曲線坐標(biāo)系中,無(wú)限靠近的兩點(diǎn)之間的空間矢量可以表示為ds=αμdxμ=ανdxν,因此,ds2=ds·ds=(αμdxμ)·(ανdxν)=(αμ·αν)dxμdxν,與黎曼的定義式：ds2=gμ νdxμdxν相比較,立即可得

(5)

特別聲明,上式中相同指標(biāo)不表示求和(廣義相對(duì)論中,只有上下指標(biāo)相同才表示求和),θμ ν為xμ,xν兩個(gè)曲線坐標(biāo)軸相交于某點(diǎn)的兩個(gè)切向基矢之間的夾角.此公式極其重要,它表明,度規(guī)張量的幾何意義是：非正交曲線坐標(biāo)系中,任意兩個(gè)坐標(biāo)軸上的“切向基矢的點(diǎn)積”構(gòu)成的張量, 每個(gè)分量的大小由相鄰兩個(gè)軸之間的夾角以及相鄰兩個(gè)軸上的基矢的長(zhǎng)度確定.因此,度規(guī)張量能夠準(zhǔn)確反映曲線坐標(biāo)系對(duì)平直坐標(biāo)系的偏離情況.對(duì)四維時(shí)空而言,度規(guī)張量能夠準(zhǔn)確反映時(shí)空的彎曲情況.

4.2.2逆變度規(guī)和混合度規(guī)的幾何意義

彎曲空間在無(wú)限小范圍內(nèi)可以近似看作平直空間,正如曲線坐標(biāo)系在無(wú)限小范圍內(nèi)可以近似看作平直坐標(biāo)系一樣.在這樣一個(gè)近似的線性空間中,任意一個(gè)微元矢量ds可以有無(wú)數(shù)種表示方法.選擇不同的基矢就有不同的坐標(biāo).現(xiàn)在我們選擇一組基矢(協(xié)變基矢)(αμ)=(α1,α2…,αn),在這一組協(xié)變基矢下,微元矢量ds在每個(gè)坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)分別為(dxμ)=(dx1,dx2…,dxn),它構(gòu)成n維空間的逆變矢量.即：ds=αμdxμ,ds2=(αμ·αν)dxμdxν=gμ νdxμdxν.現(xiàn)在我們另取一組基矢(逆變基矢)：(βν)=(β1,β2…,βn),在這一組逆變基矢下,微元矢量ds在每個(gè)坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)分別為(dxv)=(dx1,dx2…,dxn)，它構(gòu)成n維空間的協(xié)變矢量,此時(shí)有：ds=βνdxν=βμdxμ,ds2=ds·ds=(βμdxμ)·(βνdxν)=(βμ·βν)dxμdxν=gμ νdxμdxν,由此得

(6)

式(6)中的θμ ν為坐標(biāo)xμ,xv在某點(diǎn)切向基矢之間的夾角(注意因?yàn)槎际巧蠘?biāo),所以相同指標(biāo)不表示求和).式(6)表明：逆變度規(guī)張量可以看成兩個(gè)“逆變基矢的點(diǎn)積”構(gòu)成.

下面我們討論混合度規(guī)張量,這是真正的關(guān)鍵所在.根據(jù)上面的討論,顯而易見(jiàn)有

(7)

式(7)是一個(gè)極其重要的關(guān)系式,它表明：逆變基矢βμ和協(xié)變基矢αν之間滿(mǎn)足克羅內(nèi)克關(guān)系,因此,我們可以從一組基矢導(dǎo)出另外一組基矢,或者說(shuō)從一個(gè)坐標(biāo)架構(gòu)導(dǎo)出另一個(gè)坐標(biāo)架構(gòu).再次強(qiáng)調(diào)一下：協(xié)變基矢對(duì)應(yīng)逆變坐標(biāo)微元矢量,逆變基矢對(duì)應(yīng)協(xié)變坐標(biāo)微元矢量,協(xié)變度規(guī)由兩個(gè)協(xié)變基矢點(diǎn)積而成,逆變度規(guī)由兩個(gè)逆變基矢點(diǎn)積而成.

兩組基矢之間的關(guān)系可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的圖表示,圖1以三維非正交曲線坐標(biāo)為例,表示了兩組基矢之間的關(guān)系.其中的(α1,α2,α3)為非正交的3個(gè)協(xié)變基矢(虛線表示),而(β1,β2,β3)為3個(gè)逆變基矢(實(shí)線表示).

圖1　協(xié)變基矢和逆變基矢關(guān)系圖

根據(jù)圖1,我們可以非常清楚地知道：“為什么度規(guī)張量能夠隨意地升降張量的指標(biāo)？”,原因在于,張量可以看成矢量的外積,而矢量可以有兩種表示方法,在協(xié)變基矢下為逆變矢量,在逆變基矢下為協(xié)變矢量.所謂“升降指標(biāo)”實(shí)際上就是同一個(gè)東西(矢量或張量)用不同的方法表示而已.

4.2.3度規(guī)張量的基本性質(zhì)

根據(jù)上面的討論,特別是根據(jù)圖1,立即可得度規(guī)張量的兩個(gè)重要性質(zhì)：

(1)它是對(duì)稱(chēng)張量(因αμ·αν=αν·αμ,βμ·βν=βν·βμ,所以gμ ν=gν μ,gμ ν=gν μ)

(2)在任意正交曲線坐標(biāo)系中,只有非交叉項(xiàng)不為零,交叉項(xiàng)gμ ν=0(μ≠ν).正因?yàn)槿绱?所以在直角坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系中,均只有非交叉項(xiàng)如g11,g22,g33等.

4.2.4狹義相對(duì)論中不分逆變和協(xié)變的原因

5　度規(guī)張量的物理意義

通過(guò)和電磁場(chǎng)的比較,可以清楚地知道度規(guī)張量的物理意義.眾所周知,電磁場(chǎng)可以用電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)描述,也可以用四維勢(shì)Aμ=(A1,A2,A3,iφ/c)描述.當(dāng)用場(chǎng)強(qiáng)E、B描述時(shí),電磁場(chǎng)方程就是麥克斯韋方程組(兩對(duì)四個(gè)),分別為

(8-1)

(8-2)

當(dāng)我們用四維勢(shì)Aμ描述時(shí),實(shí)際上這兩對(duì)方程可以合并為兩組關(guān)于Aμ的二階偏微分方程.令電磁場(chǎng)張量為：Fμ ν=?Aν/?xμ-?Aμ/?xν則式(8)中的兩對(duì)方程可分別寫(xiě)為[5]：

(9-1)

或

(9-2)

(10-1)

或

(10-2)

(11)

式(11)中的□=?2/?xν?xν為洛倫茲標(biāo)量算符,說(shuō)明真正有用的方程是式(11),確定了Aμ,場(chǎng)強(qiáng)E和B均可以確定.由此可知,電磁場(chǎng)方程無(wú)非就是關(guān)于Aμ的4個(gè)二階偏微分方程而已.

類(lèi)似地,引力場(chǎng)可以用場(chǎng)強(qiáng)g描述,也可以用“引力場(chǎng)的勢(shì)”描述.在愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程Rμ ν-gμ νR/2=κTμ ν中,左邊的里奇張量Rμ ν和曲率標(biāo)量R均是由黎曼曲率張量通過(guò)縮并而得,所以它們都包含了度規(guī)對(duì)時(shí)空坐標(biāo)的二階和一階偏導(dǎo)數(shù),所以場(chǎng)方程是關(guān)于gμ ν或gμ ν的二階非線性偏微分方程組.和電磁場(chǎng)比較,我們可以知道,度規(guī)相當(dāng)于引力場(chǎng)的勢(shì).

但是,“引力勢(shì)”既非電勢(shì)那樣的標(biāo)量勢(shì),也非磁勢(shì)那樣的三維矢量勢(shì),而是具有16個(gè)分量的張量勢(shì)(只有10個(gè)獨(dú)立).它比用場(chǎng)強(qiáng)g描述引力場(chǎng)要好千萬(wàn)倍,能夠真正全面地反映引力場(chǎng)的分布和它對(duì)時(shí)空的影響.知道了度規(guī)張量,也就知道了引力勢(shì)的時(shí)空結(jié)構(gòu),引力場(chǎng)的一切性質(zhì)以及它對(duì)時(shí)空的影響就能了如指掌.度規(guī)之所以具有“勢(shì)“的特點(diǎn),還因?yàn)閯?shì)具有一定的不確定性(勢(shì)能或勢(shì)是相對(duì)的),而度規(guī)也是這樣.把度規(guī)的各個(gè)分量都擴(kuò)大或縮小若干倍,不影響引力場(chǎng)的性質(zhì).度規(guī)分量之間的內(nèi)在聯(lián)系是絕對(duì)的,但是數(shù)值是相對(duì)的.

在正交曲線坐標(biāo)系中,引力場(chǎng)的“張量勢(shì)”只有4個(gè)分量.一般情況下,由于時(shí)空互相影響,必須用16個(gè)分量的“張量勢(shì)”才能準(zhǔn)確描述引力場(chǎng)的特性.

6　利用度規(guī)張量的意義和等效原理快速確定史瓦西度規(guī)

迄今為止，所有的相對(duì)論專(zhuān)著在求解“靜態(tài)球?qū)ΨQ(chēng)的真空引力場(chǎng)方程的解”——即所謂的Schwarzschild(史瓦西)外解時(shí)，都是采用直接求解愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程，從而獲得史瓦西度規(guī)的.這種方法繁瑣復(fù)雜，筆者利用度規(guī)張量的意義和等效原理，能夠快速確定史瓦西度規(guī).下面詳述其過(guò)程.

第一步，根據(jù)度規(guī)的幾何意義，它表示曲線坐標(biāo)軸上的切向基矢之點(diǎn)積.由于靜態(tài)球?qū)ΨQ(chēng)引力場(chǎng)不隨時(shí)間而變，因此，這意味著時(shí)間坐標(biāo)軸和三維空間坐標(biāo)軸是正交的(因?yàn)闀r(shí)間變化時(shí)，空間分量可以不變，所以時(shí)間軸和空間軸必然互相垂直).另一方面，由于引力場(chǎng)僅沿著徑向分布，不影響角向，因此，空間部分可采用球坐標(biāo)(r,θ,φ)來(lái)描述.這樣，4個(gè)坐標(biāo)軸都是互相正交的.根據(jù)度規(guī)的幾何意義，立即可得：史瓦西度規(guī)只有4個(gè)分量不為零即：g11,g22,g33,g44(取x4=ict)或g00,g11,g22,g33(取x0=ct)，其余所有交叉項(xiàng)gμ ν=0(μ≠ν).

第二步，根據(jù)引力場(chǎng)具有球?qū)ΨQ(chēng)性和上面的討論，可以大致確定史瓦西度規(guī)的形式為：ds2=g11dr2+g22dθ2+g33dφ2+g44d(ict)2，由于引力場(chǎng)不影響角向的度規(guī)或引力勢(shì)，因此中心對(duì)稱(chēng)的引力場(chǎng)的度規(guī)分量g22,g33與無(wú)引力時(shí)的真空度規(guī)完全一致，即有g(shù)22=r2，g33=r2sin2θ.于是，我們只需要確定度規(guī)分量g11,g44即可.

第三步(最關(guān)鍵的一步)，利用等效原理，無(wú)限小范圍內(nèi)，引力場(chǎng)等效于一個(gè)加速參照系(它會(huì)產(chǎn)生慣性力場(chǎng)).設(shè)想一個(gè)電梯從無(wú)窮遠(yuǎn)處開(kāi)始在球?qū)ΨQ(chēng)引力場(chǎng)中向著球心自由下落，則在電梯內(nèi)，一切物體都將處于完全失重狀態(tài).因此，這樣的一個(gè)變加速系可以完全等效引力場(chǎng)，即引力場(chǎng)對(duì)時(shí)空的一切影響和一個(gè)“由無(wú)窮多個(gè)瞬時(shí)慣性系構(gòu)成的變加速參照系”完全一致(這些瞬時(shí)慣性系均沿著徑向向球心運(yùn)動(dòng)).于是廣義相對(duì)論中的引力問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為了(無(wú)限小時(shí)空范圍內(nèi)的)狹義相對(duì)論問(wèn)題.眾所周知，狹義相對(duì)論中有

ds2=dr2/(1-v2/c2)+r2dθ2+r2sin2θdφ2+

(1-v2/c2)(icdt)2

(12)

很多人會(huì)提出疑問(wèn)，認(rèn)為這個(gè)是在弱場(chǎng)低速下導(dǎo)出的，未必適合強(qiáng)場(chǎng)高速.下面，筆者將對(duì)此作出解釋.當(dāng)電梯從無(wú)窮遠(yuǎn)處向引力中心(球心)下落時(shí)，電梯的速度越來(lái)越大，同時(shí)引力場(chǎng)也越來(lái)越強(qiáng).在最一般的情況下，可以假定物體的動(dòng)能和速度之間呈一種復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系：T=T(v2)(寫(xiě)成這種形式是考慮到動(dòng)能和速度的方向無(wú)關(guān)，±v對(duì)應(yīng)的動(dòng)能相同，所以沒(méi)有寫(xiě)成T=T(v)).根據(jù)級(jí)數(shù)理論，無(wú)論多么復(fù)雜的函數(shù)，只要令自變量小于1，總可以把它展開(kāi)成無(wú)窮級(jí)數(shù)：即T=T0+T1(v2)+[T2(v4)+T3(v6)+…Tn(v2n)+…]，其中的T0為速度v=0時(shí)的動(dòng)能(零點(diǎn)動(dòng)能，一般認(rèn)為是零)，T1(v2)為速度較小(高次項(xiàng)可以忽略)時(shí)的經(jīng)典動(dòng)能T1(v2)=m0v2/2.其他高次項(xiàng)(方括號(hào)中的項(xiàng))為速度較高時(shí)相對(duì)論性修正項(xiàng).根據(jù)狹義相對(duì)論，滿(mǎn)足洛倫茲變換的動(dòng)能為

與此相似，滿(mǎn)足洛倫茲變換的引力勢(shì)能無(wú)論它和半徑r的關(guān)系多么復(fù)雜，總可以寫(xiě)成U=U+U1(1/r)+[U2(1/r2)+U3(1/r3)+…Un(1/rn)+…]，其中的U為無(wú)窮遠(yuǎn)處的勢(shì)能(通常假定它為零).U1(1/r)為離開(kāi)引力中心較遠(yuǎn)距離處的經(jīng)典勢(shì)能(高次項(xiàng)可以忽略)，即牛頓引力勢(shì)能：U1(1/r)=-Gm0M/r，當(dāng)離開(kāi)中心較近時(shí)，引力勢(shì)能將不再符合牛頓公式，需要加上一個(gè)額外的相對(duì)論性修正項(xiàng)，即U表達(dá)式中的方括號(hào)項(xiàng).如果我們假定在無(wú)窮遠(yuǎn)處電梯的動(dòng)能為零，引力勢(shì)能也為零，則在此后下落的任意一時(shí)刻，由于能量守恒，其總能量仍然為零，即

E=T+U=[T0+U]+[T1(v2)+U1(1/r)]+

(13)

式(13)中右邊的第1個(gè)方括號(hào)為零，第2個(gè)方括號(hào)在較遠(yuǎn)距離處為零，因而第3個(gè)方括號(hào)在較遠(yuǎn)距離處也為零.理所當(dāng)然地，在較近距離處，第3個(gè)括號(hào)也為零，因此在較近距離處，第2個(gè)方括號(hào)仍然為零.即強(qiáng)場(chǎng)高速下，仍然有v2=2GM/r. 因而我們得出的史瓦西度規(guī)具有普遍的意義.

總而言之，了解度規(guī)張量的幾何意義和物理意義不僅對(duì)理解廣義相對(duì)論非常重要，而且在實(shí)際的應(yīng)用中也有用處.

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(編輯：郝秀清)

Geometricandphysicalmeaningofthemetrictensor

——Tocommemoratethe100anniversaryofthebirthofgeneralrelativity

CAIZhi-dong1,GEYu-hong2

(1.DanyangNormalCollege，ZhenjiangCollege,Danyang212300,China;

2.DepartmentofBasicScience,NanjingPolytechnicInstitute,Nanjing210048,China)

Abstract:Metric tensor is the core of the general theory of relativity.To truly understand the general theory of relativity,we must understand the meaning of metric tensor.The system discussed the geometric and physical meaning and some of its important characteristics of the metric tensor. Using the significance of metric tensor and principle of equivalent，we can quickly determines the Schwarzschild’s metric tensor.

Key words:metric tensor; the basic vector; tensor potential; counterfeit gravitational potential

中圖分類(lèi)號(hào)：O412.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6197(2015)04-0025-06

作者簡(jiǎn)介：蔡志東,男,czd196261@sina.com

基金項(xiàng)目：江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年度重點(diǎn)課題(B-b/2013/03/071)；鎮(zhèn)江高等專(zhuān)科學(xué)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(ZJCKYTD 20 )

收稿日期：2014-09-30