¿Cómo demostrar que la acción de Einstein-Hilbert es invariante del difeomorfismo?

A menudo se afirma en textos sobre relatividad general que la teoría es invariante de difeomorfismos ( NB , estoy considerando difeomorfismos activos ), es decir, si el universo está representado por una variedad METRO con métrica gramo m v y campos de materia ψ y ϕ : METRO METRO es un difeomorfismo, entonces los conjuntos ( METRO , gramo m v , ψ ) y ( METRO , ϕ gramo m v , ϕ ψ ) representan la misma situación física.

Dado esto, ¿cómo se muestra explícitamente que la acción de Einstein-Hilbert S mi H [ gramo ] = METRO PAG yo 2 d 4 X gramo R ¿El difeomorfismo es invariante ?

Sé que bajo un difeomorfismo infinitesimal X m y m = X m + t X m , generado por algún campo vectorial X = X m m , la métrica se transforma tal que d X gramo m v = L X gramo m v = 2 ( m X v ) y entonces d X gramo = gramo gramo m v ( m X v ) . Además, el escalar de Ricci se transforma tal que d X R = L X R = X m m R .

Todo esto está muy bien, pero no estoy seguro de cómo el elemento de volumen d 4 X transforma bajo difeomorfismos?! Me inclino a pensar que no se transforma, ya que si he entendido las cosas correctamente, bajo un difeomorfismo, los puntos de la variedad se asignan a nuevos puntos, pero simultáneamente, los mapas de coordenadas se "retroceden" , tal que las coordenadas del punto en su nueva posición en el nuevo gráfico de coordenadas son las mismas que las coordenadas del punto en su antigua posición en el antiguo gráfico de coordenadas.

Si esto es correcto, entonces creo que puedo demostrar que S mi H es difeomorfismo invariante como sigue:

d X S mi H = d 4 X [ d X ( gramo ) R + gramo d X ( R ) ] = d 4 X gramo [ m X m R + X m m R ] = d 4 X gramo m ( X m R ) = d 3 Σ m X m R
donde he utilizado el teorema de Stokes en la penúltima igualdad, en la que d 3 Σ m es el elemento de superficie covariante (hiper) del límite orientado al volumen 4. Ahora, suponiendo que X tiene un soporte compacto , tal que X m 0 en la hipersuperficie Σ , entonces encontramos que d X S mi H = 0 , es decir, la acción de Einstein-Hilbert es invariante de difeomorfismo.

No estoy seguro de si esto es correcto, en particular mi argumento sobre dónde o no el elemento de volumen d 4 X se transforma o no? Cualquier ayuda sería muy apreciada.

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He estado leyendo este conjunto de notas y el autor afirma que d 4 X no se transforma bajo difeomorfismos activos (cf. páginas 9 y 19 en particular), pero no sigo bien el razonamiento.

Respuestas (1)

El elemento de volumen gramo d 4 X es un escalar por diseño, por lo que las integrales de los escalares con respecto a él son invariantes. R es un escalar. Así que la acción en sí misma tiene un valor escalar.

No estoy seguro de por qué desea restringirnos a un grupo de difeos de un parámetro, esta acción es claramente invariante bajo un difeomorfismo finito porque es la integral de una forma 4 R gramo d X 0 . . . d X 3 y sabemos que las integrales de 4 formas son invariantes (en una variedad de 4 dimensiones).

Sin embargo , ¿es esto cierto para los difeomorfismos activos ? gramo claramente no es invariante y no estoy seguro de cómo d 4 X transforma; Habría asumido por un factor jacobiano, pero esto no es simplemente una transformación de coordenadas. Este conjunto de notas ( web.mit.edu/edbert/GR/gr5.pdf , cf páginas 9 y 19) afirman que d 4 X no se transforma bajo un difeomorfismo activo.
@Will Realmente no hay diferencia entre un difeomorfismo activo o pasivo, aparte de la interpretación. El objeto que deberías considerar es gramo d X 0 . . . d X 3 en lugar de los dos por separado, que es una forma 4 honesta a Dios, y como tal es invariable,
Sin embargo, no es necesariamente cierto que una forma n sea invariante bajo difeomorfismos activos, es decir, no es necesariamente igual a su retroceso, \phi^{\ast}}\omega\neq\omega .
@Will Pero las integrales son. Suponiendo que dicho difeo conserva la orientación.
@Considerara X m coordinando METRO cerca X y tu m coordinando METRO cerca y = ϕ ( X ) , entonces tenemos la función de transición tu ϕ X 1 . Entonces ϕ ( d tu 0 . . . d tu 3 ) = d ( tu 0 ϕ ) . . . d ( tu 3 ϕ ) = tu 0 X m d X m . . . tu 3 X v d X v , que se evalúa como un producto con el determinante jacobiano | tu / X | , por lo que claramente el volumen de coordenadas también cambia por difeos (activos).
Entonces, ¿de qué trata el autor en las notas a las que me vinculé? Pensé que la invariancia del difeomorfismo (activo) era una declaración más poderosa sobre una teoría, ya que cualquier teoría bien formulada debería ser invariante coordinada (es decir, invariante bajo difeomorfismos pasivos), pero pensé que lo que distingue a GR de otras teorías físicas es que es invariante bajo difeomorfismos activos. difeomorfismo, tal que es independiente del fondo?!
@Will La independencia de fondo es una declaración mucho más fuerte que la invariancia del difeomorfismo, activa o pasiva. Vea mi respuesta aquí: physics.stackexchange.com/questions/346793/…
Gracias por la info. ¿De qué trata el autor en las notas a las que me vinculé entonces? Además, ¿conoce alguna nota sobre este tema que sería útil leer?
@Will Las notas disponibles de forma gratuita no me vienen a la mente, pero por lo que recuerdo, hay una buena discusión sobre la independencia de fondo frente a la invariancia del difeomorfismo en el libro de Relatividad General de Staumann. En cuanto al autor, no sé, creo que este es un concepto erróneo bastante común e incluso los físicos excelentes a veces usan geometría diferencial descuidada. Sin embargo, revisaré las notas y veré lo que veo pronto.