测地线是将直线概念推广到弯曲空间的一类曲线。在微分几何中,其定义性质是切向量沿曲线始终与自身保持平行。在黎曼流形上,每一段足够短的测地线都是连接其两端点的最短曲线,但较长的测地线段未必如此。这一概念也适用于配备联络的空间,以及相对论中的弯曲时空;在这些情形下,“最短路径”并不足以作为一般定义。(damtp.cam.ac.uk)
几何定义
黎曼结构为光滑流形赋予一个正定的度量张量 ,从而规定每个切空间中的长度和角度。其莱维-奇维塔联络给出相应的平行移动规则。当光滑曲线 满足
时,它就是一条以仿射参数参数化的测地线。
这里, 是切向量, 表示协变导数。因此,这条曲线的内蕴加速度为零。这并不意味着从周围的欧几里得空间来看,它的加速度也为零:大圆在三维空间中是弯曲的,但从球面的内蕴几何来看,它仍是直的。(damtp.cam.ac.uk)
对于非恒定的黎曼测地线,采用仿射参数时速率恒定;通过缩放参数,还可以使速率为一。仿射变换 (其中 )保持上述方程不变。一般的光滑重参数化虽然保持几何路径不变,但通常会引入一个与切向量成比例的加速度项。(damtp.cam.ac.uk)
坐标方程
在局部坐标 中,定义条件化为
其中, 是克里斯托费尔符号。重复出现的指标按照爱因斯坦求和约定求和。这是一个二阶微分方程组;给定起点和切向量,就能确定唯一的局部解。(damtp.cam.ac.uk)
对于莱维-奇维塔联络,
其中, 表示逆度量, 表示对坐标的偏导数。在欧几里得空间的笛卡尔坐标中,这些系数均为零,因此测地线就是直线。仅凭系数非零,不能断定空间存在曲率:在平坦空间中采用曲线坐标,也可能使这些系数非零。(damtp.cam.ac.uk)
长度与变分刻画
黎曼流形上分段光滑曲线的长度为
黎曼距离 是所有连接 与 的曲线长度的下确界。最短测地线的长度恰好等于这一距离。测地线与最短测地线之间的区别至关重要:微分方程表达的是局部的直性,而非全局的最优性。(graphics.stanford.edu)
变分法通过能量泛函给出了另一种刻画:
固定端点时,该泛函的临界曲线恰好是以仿射参数参数化的测地线。对相应的拉格朗日量应用欧拉—拉格朗日方程,即可得到测地线的坐标方程。能量依赖于参数化方式,长度则与之无关。临界点未必是极小值点;足够长的测地线可能既不使长度泛函最小,也不使能量泛函最小。(claymath.org)
基本例子
在标准球面上,非恒定测地线沿着大圆延伸;大圆由经过球心的平面与球面相交而成。对于两个不同且不互为对跖点的点,连接它们的较短大圆弧使长度最小;较长的圆弧也是测地线,但不是最短曲线。对跖点之间有无穷多条最短半圆弧。因此,给定初始条件时解的唯一性,并不意味着给定端点时测地线也唯一。(sites.science.oregonstate.edu)
这些例子也说明,内蕴距离不同于嵌入空间中的欧几里得距离。连接球面上两点的弦比球面上的圆弧短,但它不是允许的球面路径。测地线的长度最小化只考虑位于指定流形内的曲线。(graphics.stanford.edu)
指数映射与完备性
点 处的指数映射将具有同一起点的测地线统一表示为
前提是解能够延伸到参数值 。在零向量附近,指数映射给出正规坐标;在这种坐标中,径向坐标线就是测地线。这将局部几何与微分方程的初值问题联系起来。(metaphor.ethz.ch)
如果每条测地线都能延伸到所有实数参数值,就称该流形测地完备。对于连通、有限维且无边界的黎曼流形,霍普夫—里诺定理表明,测地完备等价于该流形在黎曼距离下是一个完备度量空间。完备性还保证任意两点之间存在最短测地线,并且每个闭有界子集都是紧致的。但它并不保证最短测地线的唯一性。(mat.univie.ac.at)
曲率与邻近测地线
由一族测地线构成的变分会产生一个雅可比场 。采用相应的曲率符号约定时,它满足
因此,黎曼曲率张量控制着邻近测地线如何彼此分离或会聚。当一个非零雅可比场在两点处都为零时,这两点称为共轭点;共轭点的出现限制了测地线能够保持最短性质的范围。(claymath.org)
相对论与度量空间
在广义相对论中,时空具有洛伦兹度量,而非正定度量。理想的自由落体有质量试验粒子沿类时测地线运动;在几何光学近似下,真空中的光线沿零测地线传播。固有时是类时运动的仿射参数,但不是零运动的仿射参数,因为零运动的固有时为零。在端点相同的邻近类时曲线中,足够短的类时测地线段局部使固有时最大,而不是使空间距离最小。(damtp.cam.ac.uk)
在一般的度量空间中,最短测地线可以改用 来定义,其中 为常数。测地度量空间中任意两点之间都存在这样的连接曲线。这一定义既不需要光滑坐标,也不需要联络,从而将测地线几何推广到了光滑流形之外。(metaphor.ethz.ch)