广义相对论中的数学入门

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广义相对论所使用的数学很复杂。牛顿的运动理论中,物体做加速度运动时,其长度和时间流逝的速率保持定值,这表示牛顿力学中的许多问题用代数就能解决。然而,相对论中的物体在运动速度接近光速时,长度和时间流逝的速率会有可观的改变,这表示要计算物体的运动必须用上更多变数和复杂的数学,如向量张量伪张量曲线座标英语curvilinear coordinates等概念。


向量与张量[编辑]

向量[编辑]

典型向量的图示。

数学物理学工程学中,欧几里得向量(有时也称为“几何向量”[1]、“空间向量”[2],或单称“向量”)是同时有量值长度)和方向的几何对象。一个向量将点“搬运”至点;向量的拉丁文“vector”意思为“搬运东西的东西”。[3]向量的量值就是两点之间的距离,方向则为的位移方向。很多实数代数运算英语algebraic operation,像逻辑非,和向量的运算很类似,运算也遵守相似的代数法则,如交换律结合律分配律

张量[编辑]

压力是二阶张量。箱子上各面一系列的向量代表压力

张量将向量的概念延伸至额外的维度。标量是没有方向的量,是单纯的数字,在图上以点来表示,是零维的物件。向量则有量值和方向,在图上以线呈现,是一维的物件。张量延伸了向量的概念,一个二维的张量称为二阶张量,可以看成一组相关的向量,在一个平面上的多个方向移动。

应用[编辑]

向量在物理科学里很基础。他们可用来代表所有同时有量值和方向的量,例如速度。速度的量值为速率。举例而言,每秒五米向上的速度可以向量(0, 5)表示(在二维以轴的正方向表示向上)。的量也能以向量表示,因为它有量值和方向。向量也能描述很多其他的物理量,如位移加速度动量角动量。其他物理向量,如电场磁场,以物理空间中所有点的向量系统表示,也就是向量场

张量在物理中也有延伸应用:

维度[编辑]

广义相对论需要用到四维向量,或称四向量。这四维为长、宽、高、时间。其中的“点”代表事件,因为它同时包含地点和时间。类似向量,相对论中的张量也需要四维。其中一个例子就是黎曼曲率张量

座标转换[编辑]

参见[编辑]

注释[编辑]

  1. ^ Ivanov 2001[查无此文]
  2. ^ Heinbockel 2001[查无此文]
  3. ^ From Latin vectus, perfect participle of vehere, "to carry". For historical development of the word vector, see vector n.. 牛津英语词典 (第三版). 牛津大学出版社. 2005-09 (英语).  and Jeff Miller. Earliest Known Uses of Some of the Words of Mathematics. [2007-05-25]. (原始内容存档于2015-09-05). 
  4. ^ This characterization is not universal: both the arcs between two points of a great circle on a sphere are geodesics.
  5. ^ Berry, Michael V. Principles of Cosmology and Gravitation. CRC Press英语CRC Press. 1989: 58. ISBN 0-85274-037-9.  Extract of page 58, caption of Fig. 25
  6. ^ Einstein, Albert. The Foundation of the General Theory of Relativity. Annalen der Physik. 1916, 354 (7): 769. Bibcode:1916AnP...354..769E. doi:10.1002/andp.19163540702. (原始内容 (PDF)存档于2006-08-29). 
  7. ^ Einstein, Albert. Die Feldgleichungen der Gravitation. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin. November 25, 1915: 844–847 [2006-09-12]. (原始内容存档于2016-10-27). 
  8. ^ Misner, Charles W.; Thorne, Kip S.; Wheeler, John Archibald. Gravitation英语Gravitation (book). San Francisco: W. H. Freeman英语W. H. Freeman. 1973. ISBN 978-0-7167-0344-0.  Chapter 34, p 916

参考文献[编辑]