重力理論編 第4章

重力は時空の曲率

重力があると、リーマン曲率 𝑅 が値を持つ。重力がなければ、 𝑅=0

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[1𝑐2] 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 𝛿𝑥Λ𝛿𝑥 によって 𝑔=𝑔ΛΛ 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、 𝑅0 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「 𝑽𝐾 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 𝑅𝜌𝜎𝜇𝜈𝑅𝛼𝛽𝛾=Γ𝛼𝛾,𝛽Γ𝛼𝛽,𝛾+Γ𝛼𝛾Γ𝛽Γ𝛼𝛽Γ𝛾 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=0Γ𝑉˙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+𝛿𝐶 (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=0Γ𝑉˙𝑥]𝑡𝑡=0(Γ,𝜇𝛿𝑥𝜇𝑉˙𝑥+Γ𝛿𝑉˙𝑥+Γ𝑉𝛿˙𝑥)∣ ∣ ∣ ∣最後の項を部分積分して𝛿˙𝑥𝛿𝑥に変える。Δ𝛿𝑉+Γ𝑉𝛿𝑥とおく。Δ(𝑡)𝑡𝑡=0𝑅𝑉𝛿𝑥˙𝑥𝑡𝑡=0Γ𝜇Δ˙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)0𝑡𝑡=0Γ𝜇Δ˙𝑥𝜇𝑡で微分˙ΔΓ𝜇Δ˙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)𝑔𝑒𝑒=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、 𝑒𝜇 の添え字を下げて得られる4つの1-形式 𝜔𝜇𝑔𝑒𝜇 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,=𝜔𝜇Γ となるが、 Γ𝛼𝛽=Γ𝛽𝛼 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。