¿Existe una razón intuitiva de por qué los tensores son tan omnipresentes en la física?

Como principiante, puedo ver de dónde provienen diferentes tensores individuales en física, pero estoy tratando de generar cierta intuición de por qué este objeto, definido por una ley de transformación bastante específica, es tan ampliamente aplicable.

Aquí hay un argumento que tengo, pero no estoy seguro de si esto tiene sentido:

  1. Nos gustaría definir grupos de cantidades físicas donde el todo sea invariante de alguna manera bajo el cambio de coordenadas.
  2. Suponer que [ tu 0 , tu 1 , . . . , tu norte ] se transforma en [ v 0 , v 1 , . . . , v norte ] después de alguna transformación de coordenadas. Una forma algo genérica de escribir la ley de transformación es v i = F i ( tu 0 , . . . , tu norte , t 0 , . . . , t norte ) dónde t es algún factor que depende de los detalles de la transformación de coordenadas.
  3. Si escribimos la expansión en serie de Taylor de lo anterior, obtendremos términos que tienen potencias cuadráticas o superiores en tu norte . Clave : todos estos deben descartarse en función del análisis dimensional.
  4. Esto solo deja solo los términos lineales: F i ( tu 0 , . . . , tu norte , t 0 , . . . , t norte ) = norte t norte tu norte , que es lo mismo que la ley de transformación del tensor.

¿Es apropiado usar el análisis dimensional aquí en el contexto de las expansiones de Taylor? Y en general, ¿hay una razón más intuitiva para la ubicuidad de los tensores en la física?

Tu razonamiento 3 no es correcto, todos los términos de la serie de Taylor tienen las mismas dimensiones, ya que están premultiplicados por las derivadas de F que tienen las dimensiones inversas de cada uno tu .
Incluso si puede obtener el formulario en 4 , eso no prueba la t norte tienen la forma que se encuentra en una transformación tensorial, es decir, productos adecuados de derivadas parciales.
De hecho, los tensores también se utilizan para efectos no lineales: por ejemplo, efecto Kerr . Simplemente tienen un rango más alto en estos casos.

Respuestas (2)

Creo que los tensores aparecen en la física porque son representaciones de los grupos existentes de simetrías del espacio (tiempo), como el grupo de Lorentz o el grupo de rotación.

La razón por la que los tensores aparecen con tanta frecuencia en la física tiene que ver con el marco matemático subyacente que se utiliza. Por lo general, las teorías físicas se construirán sobre tipos especiales de espacios llamados variedades. Hay muchos objetos matemáticos diferentes que se pueden construir en una variedad, como: funciones, vectores, vectores duales, formas y, por supuesto, tensores. En general, los tensores tienen una definición matemática muy precisa, pero en coordenadas locales puede mostrar que los tensores tienen una ley de transformación que los define de manera única bajo un cambio de coordenadas. Los tensores encapsulan en su definición muchos objetos matemáticos diferentes, denotados por su rango.

No estoy seguro de si esto da demasiada intuición sobre los tensores en sí mismos, pero diría que es útil, en tales circunstancias, recurrir a una explicación matemática. Tal vez intente estudiar algo de geometría diferencial con aplicaciones a la física. Creo que eso le daría algunas de las respuestas que está buscando.