广义相对论笔记(四)推前拉回和李导数
fengxiaot Lv4

这篇文章是Lie导数与Killing场,主要目标是为广义相对论的学习服务。参考的教材为梁灿彬的《微分几何与广义相对论》、陈斌的《广义相对论》梅加强的《流形与几何初步》,分别是物理系和数学系的教材。最近 A-SOUL 给我的打击很大,博客停更了一段时间。希望广义相对论的学习能帮助调整状态吧。

流形之间的映射

函数的拉回映射

函数的拉回映射ϕ:MN\phi: M \to N 为微分流形之间的光滑映射,定义映射 ϕ:C(N)C(N)\phi^*:C^\infty(N) \to C^\infty(N) 满足

ϕf=fϕfC(N)\phi^* f = f \circ \phi \qquad \forall f \in C^\infty (N)

ϕfC(M)\phi^* f \in C^\infty(M) 是流形 MM 上的函数,称为函数 ff拉回映射

形象地看,ϕ\phi_* 将原本定义在流形 NN 上的函数拉回到了流形 MM 上,因此称为拉回映射。「拉回」是相对于映射 ϕ\phi 的方向而言的,ϕ\phiMM 上的量映射到 NN 上,而我们定义出的映射 ϕ\phi^*NN 上的函数映射到 MM 上的函数,因此称为「拉回」。

拉回映射具有以下性质:

ϕ(αf+βg)=αϕ(f)+βϕ(g)f,gC(N),α,βR\phi^{*}(\alpha f+\beta g)=\alpha \phi^{*}(f)+\beta \phi^{*}(g) \qquad \forall f, g \in C^\infty(N), \forall\alpha, \beta \in \mathbb{R}

ϕ(fg)=ϕ(f)ϕ(g)f,gC(N)\phi^{*}(f g)=\phi^{*}(f) \phi^{*}(g) \qquad \forall f, g \in C^\infty(N)

函数的推前映射 函数无法定义推前映射,原因在于流形间的映射 ϕ:MN\phi: M \to N 可能并非单射,导致 ϕf=fϕ1\phi_* f = f \circ\phi^{-1} 给出多值,如图所示。

向量场的推前映射

向量场的推前映射ϕ:MN\phi: M \to N 为微分流形之间的光滑映射,定义映射 ϕ:TpMTf(p)N\phi_*:T_p M \to T_{f(p)}N 如下:任给 pMp \in M 处的切向量 XpX_p ,规定 f(p)Nf(p)\in N 处的切向量 ϕXp\phi_*X_p

(ϕXp)(f)=Xp(fϕ)=Xp(ϕf)fC(N)(\phi_{*} X_p) (f) = X_p (f \circ \phi) = X_p (\phi^* f)\qquad \forall f \in C^\infty(N)

ϕXp\phi_{*} X_p 成为流形 NN 上的切向量,称为 XpX_p推前映射,也叫切映射

形象地看, ϕ\phi_{*}MM 上的向量场推前,得到 NN 上的向量场 ϕX\phi_{*} X,并使得当 ϕX\phi_{*} X 作用于 NN 上的函数 ff 时,等价于把 ff 拉回到 MM 上用 XX 进行作用。

向量场的拉回映射 向量场无法定义拉回映射。

假设存在拉回映射,设 ϕ:MN\phi: M \to N 仍然为微分流形之间的光滑映射,ϕ:Γ(TN)Γ(TM)\phi^*: \varGamma(TN) \to \varGamma (TM) 能将 NN 上的向量场 XX 拉回到 MM 上的向量场 ϕX\phi^* X,使得 ϕX\phi^* X 作用在 MM 上的函数 ff 时,等价于 XX 作用在推前到 NN 上的函数 ϕf\phi_* f ,即 (ϕX)(f)=X(ϕf)(\phi^* X)(f) = X ( \phi_* f) 。但函数的推前映射可能产生多值,导致向量场的拉回映射可能产生多值,故向量场无法定义拉回映射。

余切向量场的拉回映射

余切向量场的拉回映射ϕ:MN\phi: M \to N 为微分流形之间的光滑映射,ω\omegaNN 上的余切向量场,定义映射 ϕ:Γ(TN)Γ(TM)\phi^*:\varGamma(T^*N) \to \varGamma(T^*M) 满足

(ϕω)(X)=ω(ϕX)(\phi^* \omega) (X) = \omega (\phi_* X)

ϕω\phi^* \omegaNN 上的余切向量场,称为余切向量场 ω\omega 的拉回映射。类似地,余切张量场不存在推前映射。

由上给我们一些启发,即推前拉回映射维持张量结构张量之间相互作用不变。张量结构不变指把 (p,q)(p,q) 型张量推拉到 (p,q)(p,q) 型张量,张量之间相互作用不变要求,推拉后的张量作用在自己流形上的任意切向量/余切向量上时,等于把被作用的任意切向量/余切向量推拉到另一流形,并用原来的张量作用的结果。用数学语言描述就是:对于任意的切向量场 XX 和余切向量场 ω\omega,有

ϕf=fϕϕX=Xϕϕω=ωϕ\phi^* f = f \circ \phi \qquad\phi_{*} X=X \circ \phi^{*} \qquad \phi^{*} \omega=\omega \circ \phi_{*}

由此可以定义逆变张量的推前协变张量的拉回。例如 TΓ(0,2TN)T\in \varGamma\left(\otimes^{0,2} TN \right)NN 上的二阶协变张量场,则定义 TT 的拉回映射像 ϕTΓ(0,2TM)\phi^* T \in \varGamma\left(\otimes^{0,2} TM \right) 满足 (ϕT)(X,Y)=T(ϕX,ϕY),X,YΓ(TM)\left(\phi^{*} T\right)(X, Y)=T\left(\phi_{*} X, \phi_{*} Y\right),\forall X, Y \in \varGamma(TM)

特殊地,若 ϕ\phi 是微分同胚,即 ϕ1\phi^{-1} 存在且为单射,则任意张量场均可定义拉回映射和推前映射,此时需要追加协变张量的推前和逆变张量的拉回的定义。按照维持张量结构和张量之间相互作用不变的要求,我们定义

ϕf=fϕ1ϕX=Xϕϕω=ωϕ\phi_* f = f \circ\phi^{-1} \qquad \phi^{*} X=X \circ \phi_{*} \qquad \phi_{*} \omega=\omega \circ \phi^{*}

其中 ff 是函数,XX 是切向量场,ω\omega 是余切向量场。这样,拉回映射和推前映射便可以推广到任意张量场上了。

/* 注:若 ϕ\phi 是微分同胚,还有性质 (ϕ1)=ϕ(\phi^{-1})^*= \phi_*(ϕ1)=ϕ(\phi^{-1})_*= \phi^*,读者自证不难 */

张量场的推前拉回映射

张量场的拉回映射ϕ:MN\phi: M \to N微分同胚TΓ(p,qTN)T \in \varGamma\left(\otimes^{p,q} TN \right) ,则可定义拉回映射 ϕ:Γ(p,qTN)Γ(p,qTM)\phi^*: \varGamma\left(\otimes^{p,q} TN \right) \to \varGamma\left(\otimes^{p,q} TM \right)

(ϕT)(ω1,,ωp,X1,,Xq)=T(ϕω1,,ϕωp,ϕX1,,ϕXq)(\phi^* T) (\omega_1,\cdots,\omega_p,X_1,\cdots,X_q) = T(\phi_* \omega_1 ,\cdots,\phi_* \omega_p,\phi_* X_1,\cdots,\phi_* X_q)

设流形 MMNN 的局部坐标分别为 {xμ}\{x^\mu\}{xμ}\{x^{\prime\mu}\},则上式在局部坐标系下的表示为

(ϕT)μ1μpν1νq=(ϕT)(dxμ1,,dxμp,xν1,,xνq)=T(ϕdxμ1,,ϕdxμp,ϕxν1,,ϕxνq)\begin{aligned} &\quad\,\,(\phi^* T)^{\mu_1\cdots \mu_p}{_{\nu_1\cdots\nu_q}} \\ &= (\phi^* T)\left(\mathrm{d} x^{\mu_1},\cdots,\mathrm{d} x^{\mu_p},\frac{\partial}{\partial x^{\nu_1}},\cdots,\frac{\partial}{\partial x^{\nu_q}}\right) \\ &= T \left(\phi_*\mathrm{d} x^{\mu_1},\cdots,\phi_*\mathrm{d} x^{\mu_p},\phi_*\frac{\partial}{\partial x^{\nu_1}},\cdots,\phi_*\frac{\partial}{\partial x^{\nu_q}}\right) \end{aligned}

ϕdxμ\phi_*\mathrm{d} x^{\mu}ϕxμ\phi_*\frac{\partial}{\partial x^\mu} 是决定微分同胚 ϕ\phi 最基本的单元,需要具体计算。

张量场的推前映射ϕ:MN\phi: M \to N微分同胚TΓ(p,qTM)T \in \varGamma\left(\otimes^{p,q} TM \right) ,则可定义推前映射 ϕ:Γ(p,qTN)Γ(p,qTM)\phi_*: \varGamma\left(\otimes^{p,q} TN \right) \to \varGamma\left(\otimes^{p,q} TM \right)

(ϕT)(ω1,,ωp,X1,,Xq)=T(ϕω1,,ϕωp,ϕX1,,ϕXq)(\phi_* T) (\omega_1,\cdots,\omega_p,X_1,\cdots,X_q) = T(\phi^* \omega_1 ,\cdots,\phi^* \omega_p,\phi^* X_1,\cdots,\phi^* X_q)

设流形 MMNN 的局部坐标分别为 {xμ}\{x^\mu\}{xμ}\{x^{\prime\mu}\},则上式在局部坐标系下的表示为

(ϕT)μ1μpν1νq=(ϕT)(dxμ1,,dxμp,xν1,,xνq)=T(ϕdxμ1,,ϕdxμp,ϕxν1,,ϕxνq)\begin{aligned} &\quad\,\,(\phi_* T)^{\mu_1\cdots \mu_p}{_{\nu_1\cdots\nu_q}} \\ &= (\phi_* T)\left(\mathrm{d} x^{\mu_1},\cdots,\mathrm{d} x^{\mu_p},\frac{\partial}{\partial x^{\nu_1}},\cdots,\frac{\partial}{\partial x^{\nu_q}}\right) \\ &= T \left(\phi^*\mathrm{d} x^{\mu_1},\cdots,\phi^*\mathrm{d} x^{\mu_p},\phi^*\frac{\partial}{\partial x^{\nu_1}},\cdots,\phi^*\frac{\partial}{\partial x^{\nu_q}}\right) \end{aligned}

ϕdxμ\phi^*\mathrm{d} x^{\mu}ϕxμ\phi^*\frac{\partial}{\partial x^\mu} 是决定微分同胚 ϕ\phi 最基本的单元,需要具体计算。

主动观点和被动观点

见电动力学讲义。


李导数

李导数的定义

单参数变换群一节中讲过,给定向量场 XX ,可以确定一族微分同胚 {ϕt}(tR)\{\phi_t\} (t \in \mathbb{R}) 构成单参数变换群,并且 ϕt\phi_t 能给出以 XX 为切向量的一条条曲线(积分曲线)上,间隔为 tt 的两点 ppϕt(p)\phi_t(p) 之间的映射。

由于 ϕt\phi_t 是微分同胚,结合推前拉回映射,可以定义一种导数运算:将与流形上一点 pp 间隔为 tt 的另一点处的张量 TT,沿着向量场 XX(即沿着积分曲线)拉回 pp 点进行作差,当 t0t \to 0 时,张量的差值除以 tt 就是张量场沿 XX 的导数,称为李导数。

李导数 给定向量场 XX,定义 TΓ(p,qTM)T \in \varGamma\left(\otimes^{p,q} TM \right) 的李导数 LXT\mathcal{L}_X T

LXT=limt0ϕt(Tϕt)Tt\mathcal{L}_X T = \lim_{t \to 0} \frac{\phi^*_t (T|_{\phi_t})-T}{t}

其中 ϕt\phi_t 是由 XX 生成的单参数变换,TϕtT|_{\phi_t} 是经过 ϕt\phi_t 变换得到的张量场,是 Tϕt(p)T|_{\phi_t(p)} 中省略参考点 pp 的形式上的记法。上式也可以表示为

(LXT)p=limt0ϕt(Tϕt(p))Tpt\left(\mathcal{L}_X T\right)|_p = \lim_{t \to 0} \frac{\phi^*_t (T|_{\phi_t(p)})-T|_p}{t}

李导数的定义不需要流形 MM 有附加结构 gg\nabla

李导数的性质

  1. 双线性:LλX+μYT=λLXT+μLYT, LX(λT+μS)=λLXT+μLXS\mathcal{L}_{\lambda X+\mu Y} T = \lambda \mathcal{L}_{X} T + \mu \mathcal{L}_{Y} T,\ \mathcal{L}_X (\lambda T+\mu S)= \lambda \mathcal{L}_{X} T+ \mu\mathcal{L}_{X} S,其中 λ,μ,R\lambda,\mu,\in \R

  2. 第一分量Leibniz律:LfXY=fLXY(Yf)X\mathcal{L}_{f X} Y = f \mathcal{L}_{X} Y - (Yf) X,其中 fC(M)f \in C^\infty(M)

  3. 第二分量Leibniz律:LX(TS)=LXTS+TLXS\mathcal{L}_X \left(T\otimes S\right) = \mathcal{L}_X T\otimes S+T \otimes \mathcal{L}_X S,其中 T,ST,S 为任意阶张量

  4. LXf=Xf\mathcal{L}_X f = X f,其中 XX 为向量场,ff 为函数

  5. LXY=[X,Y]\mathcal{L}_X Y = [X,Y],其中 X,YX,Y 为向量场     LXY=XYYX\implies \mathcal{L}_X Y = \nabla_X Y -\nabla_Y X,其中 \nabla 为无挠联络

  6. (LXω)(Y)=X[ω(Y)]ω[X,Y](\mathcal{L}_X \omega) (Y) = X\left[ \omega(Y)\right] - \omega[X,Y] ,其中 ω\omega 为 1-形式场。

  7. 对于任意 (p,q)(p,q) 型张量场,其李导数为

    (LXT)(ω1,,ωp,Y1,,Yq)=X[T(ω1,,ωp,Y1,,Yq)]+i=1pT(ω1,,LXωi,,ωp,Y1,,Yq)+i=1qT(ω1,,ωp,Y1,,LXYi,,Yq)\begin{aligned} \left( \mathcal{L}_X T \right) \left(\omega_1,\cdots,\omega_p,Y_1,\cdots,Y_q \right) &= X \left[T \left(\omega_1,\cdots,\omega_p,Y_1,\cdots,Y_q \right)\right] + \sum_{i=1}^p T\left(\omega_1,\cdots,\mathcal{L}_X \omega_i,\cdots,\omega_p,Y_1,\cdots,Y_q \right) \\ &\quad\, + \sum_{i=1}^q T\left(\omega_1,\cdots,\omega_p,Y_1,\cdots,\mathcal{L}_X Y_i,\cdots,Y_q \right) \end{aligned}

  8. [LX,LY]=L[X,Y]\left[ \mathcal{L}_X, \mathcal{L}_Y\right] = \mathcal{L}_{[X,Y]}

李导数与协变导数的比较

  • 李导数和协变导数各自规定了一种比较不同两点的张量的方法,均具有线性性和 Leibniz 律。

  • 李导数定义来源于流形的光滑结构,是光滑流形自带的算符,不需要流形上的附加结构;协变导数可以在任何向量丛上定义,但需要额外的人工信息来定义,需要指定联络系数 Γ\Gamma 或平移规定。

  • 李导数 (LXT)p\left(\mathcal{L}_X T\right)|_p 依赖于 XXpp 处附近的行为,即积分曲线,而协变导数 (XT)p(\nabla_X T)|_p 只依赖于 XXpp 处的取值 XpX_p


Killing 向量场

适配坐标系

适配坐标系 若向量场 XX 为局部坐标系的某个基矢量 x1\frac{\partial}{\partial x^1} ,则该局部坐标系称为 XX 的适配坐标系。

适配坐标系中,沿 XX 的李导数 LX\mathcal{L}_X 退化为 x1\frac{\partial}{\partial x^1} 本身。

Killing 向量场

等度规映射 若微分同胚 ϕ:MM\phi:M \to M 满足 ϕg=g\phi^* g =g ,则称 ϕ\phi 为等度规映射。

Killing向量场XX 为黎曼流形 (M,g)(M, g) 上的向量场,如果 XX 生成的无穷小变换 ϕt\phi_t 均为等度规映射,则称 XX(M,g)(M, g) 的 Killing 向量场。

Killing方程 成为 Killing 向量场的充分必要条件是满足 Killing 方程。由 Killing 向量场的定义知,若 XX 为 Killing 向量场,则

LXg=0\mathcal{L}_X g =0

或者写作

Xg(Y,Z)=g([X,Y],Z)+g(Y,[X,Z])X,Y,ZΓ(TM)X g(Y,Z) =g([X,Y],Z) + g(Y,[X,Z]) \qquad \forall X, Y,Z\in \Gamma(T M)

\nabla 是黎曼联络,则又可以写作

g(YX,Z)+g(Y,ZX)=0Y,ZΓ(TM)g\left(\nabla_{Y} X, Z\right)+ g\left( Y, \nabla_{Z} X\right)=0 \qquad \forall Y, Z \in \Gamma(T M)

其分量形式为

μXν+νXμ=0\nabla_\mu X_\nu + \nabla_\nu X_\mu = 0

定理:黎曼流形 (M,g)(M, g) 至多有 n(n+1)/2n(n+1)/2 个独立的 Killing 向量场,其中 n=dimMn = \dim M

Killing 方程 LXg=0\mathcal{L}_X g =0 反映度规的沿着 Killing 向量场的平移不变性。因此实际物理应用中,往往先寻找度规沿哪条曲线平移不变,那么该条曲线的切矢就是 Killing 向量场。