在广义相对论中,弯曲的时空和扭曲的时空有何区别
首先,我们要明白什么是时空。简单地说,时空就是我们生活的四维世界,它包括三个空间维度和一个时间维度。我们可以用一个坐标系来描述时空中的任何事件或物体,例如(x,y,z,t),其中x,y,z表示空间位置,t表示时间。 弯曲可以描述时空中不同方向之间存在角度偏差,它由黎曼曲率张量来表达。黎曼曲率张量是一个四阶反对称张量场,它定义为:R(X,Y,Z,W)=g(R(X,Y)Z,W)。其中 X,Y,Z,W 是任意的向量场, g 是黎曼流形上的度量, R(X,Y)Z 是一个向量场,它表示沿着 X 和 Y 方向的平行移动后, Z 向量的变化量。 现在,我们就以一种更容易懂的方式,来描述曲率的几何意义。当时空存在曲率时,一个矢量沿着闭合曲线平移一周后,它并不与原矢量重合,而是相差一个角度。必须再附加一个转动,它俩才能重合,而这个附加的转动,正是空间曲率(弯曲)产生的几何效应。 在物理上,黎曼曲率张量可以描述时空中存在的引力场或物质能量分布,它们会使得时空产生弯曲。例如,在广义相对论中,引力场方程是一个关于黎曼曲率张量和能动张量的方程,它反映了物质和能量对时空弯曲的影响。在这种理论中,时空是弯曲的。 扭曲的时空挠率张量衡量了联络的非对称性或非度量性,即协变导数与向量场的交换不一致。如果挠率张量为零,那么联络就是对称的或度量的,即协变导数与向量场的交换一致。在这种情况下,联络就是Levi-Civita联络,它是黎曼流形上唯一确定的度量联络。 在物理上,挠率张量可以描述时空中存在的自旋-自旋相互作用或自旋-轨道相互作用,它们会使得时空产生扭曲。例如,在爱因斯坦-卡尔坦理论中,引力场方程包含了挠率张量作为一个源项,它反映了物质的自旋密度。在这种理论中,时空不仅有弯曲,还有扭曲。 最后但是,在现有的观测之下,一般认为只存在曲率而没有挠率,也就是说时空只有弯曲没有扭曲。 |
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