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数学 / tensor-field

张量场

张量场为空间中的每个点指定一个张量,以不依赖坐标的方式描述几何量或物理量。

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流形张量微分几何切空间向量空间对偶空间张量积多重线性映射张量场

张量场为流形或其某一区域内的每个点指定一个特定类型的张量。在微分几何中,通常假定张量场是光滑的,即其分量在任意光滑坐标系中都光滑变化。张量场推广了标量场和向量场,为描述几何和物理量提供了一种不依赖坐标的语言。场本身是一个几何对象,而表示它的分量数组则取决于所选的坐标。(damtp.cam.ac.uk)

数学定义

设 MM 是一个 nn 维光滑流形。在每个点 pp 处,切空间 TpMT_pM 是一个向量空间,其对偶空间 Tp∗MT_p^*M 由余向量组成。一个 (r,s)(r,s) 型张量场为每个 p∈Mp\in M 指定一个元素

Tp∈(TpM)⊗r⊗(Tp∗M)⊗s.T_p\in (T_pM)^{\otimes r}\otimes(T_p^*M)^{\otimes s}.

这里,⊗\otimes 表示张量积,零次张量幂则理解为实数域。等价地,TpT_p 是一个多重线性映射,以 rr 个余向量和 ss 个切向量为输入,输出一个标量。(math.toronto.edu)

整数 rr 和 ss 分别表示逆变指标和协变指标的个数。它们的和是张量的阶,有时也称为秩;这里的“秩”与矩阵的秩含义不同。将所有点上的这些张量空间汇集起来,就得到一个张量丛。张量场是这个丛的一个截面,即从每个点上方的纤维中选取一个元素。这种表述很重要,因为不同点处的张量属于不同的向量空间,而不一定属于同一个固定的空间。(math.toronto.edu)

分量与坐标变换

在局部坐标 x1,…,xnx^1,\ldots,x^n 中,坐标切向量 ∂i=∂/∂xi\partial_i=\partial/\partial x^i 及其对偶余向量 dxidx^i 分别构成相应空间的基(线性代数)。张量场可写为

T=Ti1⋯irj1⋯js(x) ∂i1⊗⋯⊗∂ir⊗dxj1⊗⋯⊗dxjs.T= T^{i_1\cdots i_r}{}_{j_1\cdots j_s}(x)\, \partial_{i_1}\otimes\cdots\otimes\partial_{i_r} \otimes dx^{j_1}\otimes\cdots\otimes dx^{j_s}.

重复指标按照爱因斯坦求和约定求和。光滑性意味着这些分量函数都是光滑的。一个不受额外约束的张量在每个点处有 nr+sn^{r+s} 个分量,但对称性条件可以减少独立分量的个数。(damtp.cam.ac.uk)

在从 xx 到 x′x' 的坐标变换下,每个上指标都带有一个变换因子 ∂x′a/∂xi\partial x'^a/\partial x^i,每个下指标则带有一个逆变换因子 ∂xj/∂x′b\partial x^j/\partial x'^b。这些因子是雅可比矩阵及其逆矩阵的元素。对于 (1,1)(1,1) 型张量场,

T′ab=∂x′a∂xi∂xj∂x′bTij.T'^a{}_b= \frac{\partial x'^a}{\partial x^i} \frac{\partial x^j}{\partial x'^b} T^i{}_j.

这种变换补偿了基的变化,使张量本身保持不变。因此,在相互重叠的坐标图中,任意给定的一组分量函数只有满足相应的变换规律,才能定义一个张量场。(damtp.cam.ac.uk)

基本例子

(0,0)(0,0) 型张量场就是标量场,可由 MM 上的一个函数表示。向量场的类型为 (1,0)(1,0),而余向量场,也称一形式,的类型为 (0,1)(0,1)。对于光滑标量函数 ff,其微分

df=(∂if) dxidf=(\partial_i f)\,dx^i

是一个余向量场。要把这个微分转化为梯度向量,需要借助度量来建立余向量与向量之间的对应。(damtp.cam.ac.uk)

度量张量是一个对称、非退化的 (0,2)(0,2) 型张量场。黎曼度量是正定的,而相对论时空的度量具有洛伦兹号差。度量定义长度及其他几何测量,并允许升降指标。例如,Vi=gijVjV_i=g_{ij}V^j。度量分量依赖坐标这一点本身并不意味着存在曲率:平直的欧氏空间在球坐标下也具有随位置变化的度量分量。(preposterousuniverse.com)

kk 次微分形式是一个完全反对称的 kk 阶协变张量场。微分形式支持不依赖坐标的微分和积分,因此在几何和场论中尤为有用。(preposterousuniverse.com)

代数运算与微分

张量运算可以逐点推广到张量场。相同类型的场可以相加,也可以乘以光滑标量函数。张量积将类型组合起来:(r,s)(r,s) 型场与 (u,v)(u,v) 型场的张量积是 (r+u,s+v)(r+u,s+v) 型场。张量缩并将一个上指标与一个下指标配对,使两类指标的个数各减少一个。因此,当 TT 为 (1,1)(1,1) 型时,TiiT^i{}_i 是一个标量场。(damtp.cam.ac.uk)

张量分量的普通偏导数在非线性坐标变换下一般不构成张量。协变导数利用联络系数对此加以修正。对于向量场,

∇iVj=∂iVj+ΓjikVk.\nabla_i V^j=\partial_i V^j+\Gamma^j{}_{ik}V^k.

所得的 ∇V\nabla V 为 (1,1)(1,1) 型;更一般地,协变微分将 (r,s)(r,s) 型场变为 (r,s+1)(r,s+1) 型场。系数 Γjik\Gamma^j{}_{ik} 本身并不是张量分量。度量确定了唯一一个无挠且与度量相容的莱维-奇维塔联络。其曲率由黎曼曲率张量表示。(preposterousuniverse.com)

微分形式还有另一种自然的运算,即外微分,它既不需要度量,也不需要联络。外微分将 kk 次形式映射为 (k+1)(k+1) 次形式,并满足 d2=0d^2=0。(preposterousuniverse.com)

物理应用

在电磁学中,电磁场强是一个反对称张量场,将电场和磁场的分量统一起来。这使得麦克斯韦方程组能够以协变形式表达,并明确体现其变换规律。(preposterousuniverse.com)

在广义相对论中,时空度量是一个动力学张量场。爱因斯坦场方程将由度量构造的几何张量与描述能量、动量和应力的应力—能量张量联系起来。这些关系写成张量方程后,在坐标变换下仍保持其含义,而不依赖于某一种特定的坐标表示。(damtp.cam.ac.uk)

参考来源

  1. Geometry and Topology Imath.toronto.edu
  2. Tensor Bundles on Manifoldsmath.utoronto.ca
  3. Lecture Notes on General Relativity: Manifoldspreposterousuniverse.com
  4. Lecture Notes on General Relativity: Special Relativity and Flat Spacetimepreposterousuniverse.com
  5. Lecture Notes on General Relativity: Curvaturepreposterousuniverse.com