重力が存在するかどうかを決める方法が知りたい
重力の有無や強さを判断するような量が欲しい。第2章で見たように、重力が測定結果に現れるのは、計量を通してである。よって、重力場を知るためには計量を測定することになる。無重力時空であれば、計量
𝑔∘∘
としてミンコフスキー計量
𝜂∘∘
𝑔∘∘=𝜂∘∘≡[1−𝑐−2]
を取ることができる。これをミンコフスキー座標系という。しかし、計量は、座標変換
𝛿𝑥∘′≐Λ∘′∙𝛿𝑥∙
によって
𝑔∘′∘′=𝑔∙∙Λ∙∘′Λ∙∘′
のように変換する。そのため、例え重力がない場合であっても、
𝑔∘∘
は、座標系の取り方によって
𝜂∘∘
とは異なる複雑な値を取り得る。要するに、計量には、重力の影響だけでなく、座標系の取り方の影響も含まれるわけである。もし、重力の影響だけを取り出すことができれば、重力場を支配する方程式を求める際に都合がよいだろう。
よって知りたいのは、座標系の取り方によらず、与えられた
𝑔∘∘
から、重力部分だけを取り出す方法である。例えば、あるテンソル
𝑅
が存在して、
𝑅=0
の時には
𝑔∘∘=𝜂∘∘
となるミンコフスキー座標系が存在し、
𝑅≠0
の時にはそのような座標系は存在しない、という性質が成り立てば、その
𝑅
が重力の情報を持つはずである。
4.1リーマン曲率 𝑅∘∘∘∘
以降では、ベクトルの平行移動を単に平行移動という。
4.1.1平行移動と座標変換は可換である→無重力時空では平行移動が経路によらない
前章で述べた様に、平行移動は幾何学的な操作である。これは、平行移動が座標系によらない量であることを意味している。別の言い方をすると、平行移動と座標変換は可換である。即ち、「ベクトル
𝑽
をある座標系
𝐾
において平行移動した後、別の座標系
𝐾′
に座標変換したもの」と「
𝑽
を
𝐾′
に座標変換してから同じ経路に沿って平行移動したもの」は同じ結果になる。
これは重要な性質である。特に、無重力時空では、ミンコフスキー座標系を取っておけば、ベクトルの平行移動は成分をそのまま単純に保つので、平行移動は経路によらない。これを、「平行移動と座標変換の可換性」に適用すると、無重力時空では、「平行移動が経路によらない」という性質が、ミンコフスキー座標系によらず任意の座標系で成り立つことが分かる(平衡移動の始点
𝑃1
と終点
𝑃2
を固定すれば、途中の経路にはよらない)。
4.1.2平行移動が経路によらないための条件:式(1)
そこで、平行移動が経路によらないための条件が知りたい。
【4.1-注1】平行移動が経路によらないための条件
平行移動が経路によらないための必要十分条件は、以下のリーマン曲率
𝑅𝜌𝜎𝜇𝜈
:
𝑅∘𝛼𝛽𝛾=Γ∘𝛼𝛾,𝛽−Γ∘𝛼𝛽,𝛾+Γ∙𝛼𝛾Γ∘𝛽∙−Γ∙𝛼𝛽Γ∘𝛾∙
がいたる所
0
になることである:
𝑅∘∘∘∘=0(1)
証明
まず、ベクトル
𝑉∘
をある経路
⃗𝐶
に沿って平行移動していく。パラメータ
𝑡
を取ると、平行移動の定義により以下のようになる:
𝑉∘(𝑡)=𝑉∘(0)−∫𝑡𝑡′=0Γ∘∙∙𝑉∙˙𝑥∙
力学編第15章で述べたポテンシャルの存在条件の場合と同様に、変分を取ることを考える。変分
⃗𝐶+𝛿⃗𝐶
(始点を固定)を考え、その経路上の点を
𝒙(𝑡)+𝛿𝒙(𝑡)
とすると、
𝑉∘(𝑡)
の変化
𝛿[𝑉∘(𝑡)]
は、以下のようになる:
𝛿[𝑉∘(𝑡)]=𝛿[−∫𝑡𝑡′=0Γ∘∙∙𝑉∙˙𝑥∙]≐−∫𝑡𝑡′=0(Γ∘∙∙,𝜇𝛿𝑥𝜇𝑉∙˙𝑥∙+Γ∘∙∙𝛿𝑉∙˙𝑥∙+Γ∘∙∙𝑉∙𝛿˙𝑥∙)∣
∣
∣
∣最後の項を部分積分して𝛿˙𝑥∙を𝛿𝑥∙に変える。Δ∘≡𝛿𝑉∘+Γ∘∙∙𝑉∙𝛿𝑥∙とおく。Δ∘(𝑡)≐−∫𝑡𝑡′=0𝑅∘∙∙∙𝑉∙𝛿𝑥∙˙𝑥∙−∫𝑡𝑡′=0Γ∘∙𝜇Δ∙˙𝑥𝜇(2)
ここで、
Δ∘(𝑡)
は、定義により、
𝑥∘(𝑡)+𝛿𝑥∘(𝑡)
にある変分後の
𝑉∘
を、
𝑥∘(𝑡)
に平行移動して、変分前のものとの差を取ったものに等しい(
𝛿𝑥∘
の1次近似で)。よって、もし、平行移動が経路に依存しないのであれば、(
𝒙1
や経路の取り方によらず)常に
Δ∘=0
となる。この時、式(2)より
𝑅∘∘∘∘=0
(=式(1))が成り立つことが分かる。逆に、式(1)が成り立てば、式(2)は
Δ∘(𝑡)≐−0−∫𝑡𝑡′=0Γ∘∙𝜇Δ∙˙𝑥𝜇∣𝑡で微分˙Δ∘≐−Γ∘∙𝜇Δ∙˙𝑥𝜇
となるが、初期条件は
Δ∘(0)=0
なので、この微分方程式の解は
Δ∘(𝑡)≐0
となる。ここで、端点を固定した変分(
𝛿𝒙(𝑡)=𝟎
)考えれば、
𝛿𝑉∘(𝑡)≐0
となり、平行移動後のベクトルが変化しないことが分かる。
◼
【4.1-注2】リーマン曲率テンソルの自由度は20
リーマン曲率テンソル
𝑅𝛼𝛽𝛾𝛿
の成分数は
44=256
であるが、独立な成分はそのうち20である。
4.1.3 𝑅∘∘∘∘=0 となる点では、無重力
逆に、ある時空上で、平行移動が経路によらないという性質が常に成り立つならば、ミンコフスキー座標系を取れることも分かる(以下の【3.1-注3】)。
従って、無重力であるための必要十分条件は、「平行移動が経路によらない」、即ち、
𝑅∘∘∘∘=0
である。
【4.1-注3】時空が平坦であるための条件
時空上の4次元単連結領域
𝐷
が平坦であるための必要十分条件は、
𝐷
上で
𝑅∘∘∘∘=0(3)
が成り立つことである。ただし、
𝐷
が平坦であるとは、
𝐷
上にミンコフスキー座標が取れることを言う。
証明
まず、平坦⇒式(3)を示す。
𝐷
が平坦である時、ミンコフスキー座標を取れば、式(3)が成り立つ。さらに、
𝑅∘∘∘∘
はテンソルとして変換するので、任意の座標系で式(3)が成り立つことになる。
次に、式(3)⇒平坦を示す。ある点において、4つのベクトル
𝒆𝜇(𝜇=0,…,3)
を
𝑔∙∙𝑒∙∘𝑒∙∘=𝜂∘∘(4)
となるようにとる。式(3)が成り立つことを仮定しているので、ベクトルの平行移動は経路によらない。よって、
𝒆𝜇
をそれぞれ平行移動していくことによって、4つのベクトル場作ることができる。この時、平行移動は内積を保つことにより、式(4)は任意の点で成り立つことになる。後は、
𝑒∘𝜇
の添え字を下げて得られる4つの1-形式
𝜔𝜇∘≡𝑔∘∙𝑒∙𝜇
に対し、それぞれのポテンシャルとなるような
𝑥𝜇
、即ち、
𝜕∘𝑥𝜇=𝜔𝜇∘
となるような
𝑥∘
が構成できれば、それがミンコフスキー座標になる。これは可能である。なぜなら、平行移動の定義により
𝜔𝜇
の微分は
𝜔𝜇∘,∘=𝜔𝜇∙Γ∙∘∘
となるが、
Γ∘𝛼𝛽=Γ∘𝛽𝛼
であることから、
𝜔𝜇𝛼,𝛽=𝜔𝜇𝛽,𝛼
となり可積分条件(スカラーポテンシャルの存在条件)を満たすからである。