¿La conservación de la densidad de cantidad de movimiento implica la conservación de la densidad de energía?

En el contexto de la relatividad especial/general, la conservación del tensor de tensión-energía conduce a la conservación de la cantidad de movimiento/densidad de energía m T m v = 0 . Esto constituye 4 ecuaciones, una para energía y 3 para cantidad de movimiento.

Para muchos sistemas, sin embargo, la conservación de la densidad de energía se deriva trivialmente de la conservación del momento. Por ejemplo, para el tensor de energía de estrés electromagnético, m T mi METRO m v = j m F m v . La porción de energía es j m F m 0 = mi j , y la parte del espacio es j m F m j = ( ρ mi + j × B ) . Tomando el producto punto j ( ρ mi + j × B ) rendimientos ρ veces el componente de tiempo, por lo que la pérdida de energía ya está determinada por la pérdida de impulso.

Para las partículas, esto también es cierto: la potencia entregada a una partícula es solo la velocidad multiplicada por la fuerza.

¿Es esta una propiedad general de m T m v , que la porción de energía se sigue de la porción de cantidad de movimiento? ¿Alguien puede señalarme una referencia que explique esto? Si no, ¿alguien puede señalarme un contraejemplo?

PD: He notado algunos documentos, que parecen restringir la conservación de la energía para estar relacionada con la conservación del momento para garantizar la "integrabilidad", aunque no veo cómo se conectan, o si están necesariamente conectados.

EDITAR :

La forma en que redacté esto fue pobre. Probablemente no tenga sentido decir "¿la conservación de la energía se deriva de la conservación del impulso?" ya que en diferentes marcos de referencia los dos se mezclan de diferentes maneras. Más bien, debería decir Hace m T m v producir 3 ecuaciones independientes o 4 ? Basado en la experiencia, quiero decir 3, no 4. Los dos ejemplos anteriores tienen solo 3 ecuaciones independientes (y sin mucho trabajo son generalizables a ecuaciones de tensor con alguna identidad de restricción que elimina la cuarta ecuación).

Para problemas de fluidos en relatividad general, parece que solo hay 3 ecuaciones independientes. Tomemos por ejemplo el tensor de energía de tensión de un fluido perfecto:

T pag F m v = ( ϵ + pag ) tu m tu v pag gramo m v

hay 3 grados de libertad tu m porque debe satisfacer la identidad tu m tu m = 1 . La densidad de las partículas es otro grado de libertad por punto en el espacio-tiempo, pero existe una restricción de conservación del número de partículas, que da otra restricción. Para obtener ecuaciones de movimiento bien planteadas, también debe haber una ecuación de estado, que relacione la presión/energía con el número de partículas. Entonces, para obtener ecuaciones de movimiento bien planteadas, parece que solo debe haber 3 ecuaciones de movimiento independientes.

Además, consulte http://adsabs.harvard.edu/abs/1991A%26A...252..651G donde desarrollan las ecuaciones de Einstein en el espacio-tiempo simétrico esférico. Afirman explícitamente que una de las ecuaciones dinámicas del movimiento es redundante. Al final de la sección 5 del documento: "Tenga en cuenta que... es posible determinar la densidad de energía en el marco fluido, mi , ya sea por medio de la ecuación de estado (5), ya sea a partir del conocimiento de mi a través de la ecuación (10). Los dos valores son exactamente iguales, siempre que la presión pag ( s , norte B ) , que aparece en la Ec. (25) para mi , es termodinámicamente consistente con mi ( s , norte B ) , es decir, que pag obedece a la Ec. (6)". La ecuación (6) en la referencia es solo la primera ley de la termodinámica.

Así que para reformular:

En todas las circunstancias prácticas de las que tengo conocimiento, m T m v produce solo 3 ecuaciones independientes, siendo la cuarta redundante. ¿Es este el caso o hay situaciones en las que esto no es cierto?

Las partículas que se mueven en un espacio-tiempo FRW tendrían componentes de 4 impulsos espaciales constantes pag i pero su energía pag 0 variaría con el tiempo. Así que la respuesta a una pregunta de título es no .
Gracias @AVS.. pero no pregunto si están relacionados de una manera simple, sino si la conservación del impulso implica la conservación de la energía. En cualquier caso, eso estaba mal redactado. Consulte la edición anterior para aclarar lo que estoy tratando de descubrir.
La divergencia del tensor tensión-energía (que es lo que me preocupa) es completamente local (es la interacción local del campo con la materia en un punto). Ambos ejemplos son de un campo (generado por otras partículas) que actúa sobre una partícula de prueba. No veo cómo eso no es como tu ejemplo.
Covariante para cualquier sistema, ambos deben ser cero, m T m 0 = 0 y m T m i = 0 , con el fin de conservar la energía y el impulso. No creo que las derivadas ordinarias tengan un significado en los espaciotiempos curvos.

Respuestas (2)

El teorema de Noether vincula la conservación de la energía con la invariancia en el tiempo y la conservación del impulso con la invariancia en la traslación espacial del Lagrangiano. Por lo tanto, los dos no están relacionados. Como ejemplo, para una partícula que se mueve en un espacio dependiente pero independiente del tiempo, la energía potencial se conserva mientras que el momento no lo es.

No estoy seguro de que tu comentario sea cierto, porque las coordenadas de tiempo y posición no son independientes en relatividad. En un marco de coordenadas diferente, la transformación se mezclará de una manera diferente. En cualquier caso, la forma en que hice la pregunta fue pobre. En cualquier marco de coordenadas, la pregunta es si m T m v = 0 produce 3 o 4 ecuaciones independientes.
En un sistema de coordenadas diferente, la energía y el momento se definen de manera diferente. Mi respuesta es no covarianza, al igual que su pregunta. La ley de conservación da cuatro condiciones independientes en este marco particular, así en todos los marcos de Lorentz.
Todavía no estoy convencido. El hecho de que obtenga 4 ecuaciones separadas del teorema de Noether no garantiza que sean todas independientes. Obtengo 4 ecuaciones separadas de m T m v = 0 , pero las situaciones que mostré solo tienen 3 ecuaciones independientes.

Al leer las respuestas de OP a mis comentarios, parece que entiendo la fuente de confusión mutua.

OP asume implícitamente la covarianza general para la ecuación del tensor, o la covarianza de Poincaré si estamos hablando de un espacio-tiempo plano. ( Para simplificar, restrinjamos la discusión adicional a un espacio-tiempo plano ).

Si asumimos la covarianza de Poincaré del tensor de momento de energía, entonces sí, a partir de ecuaciones para componentes espaciales m T m i = 0 , podemos derivar m T m 0 = 0 . La razón es simple: si un cuadrivector tiene cero componentes espaciales en todos los marcos de referencia, entonces su componente de tiempo también debe ser cero. O en términos del grupo de Poincaré: la acción de campo invariante de Lorentz más la invariancia con respecto a las traducciones espaciales significa invariancia frente a cambios de tiempo (ya que el álgebra de Poincaré tiene [ METRO 0 i , PAG i ] = i PAG 0 ).

Sin embargo, si no hay una covarianza de Poincaré, la conservación de la energía ya no puede ser una consecuencia de la conservación del impulso. Por ejemplo, podríamos escribir explícitamente la densidad lagrangiana dependiendo de la variable de tiempo: L ( φ , φ ˙ , i φ , t ) , entonces habría conservación del impulso pero no conservación de la energía. Alternativamente, como sugirió my2cts, si hay un fondo que depende de las coordenadas espaciales (de modo que la densidad lagrangiana tenga la forma L ( φ , φ ˙ , i φ , X ) ) habría conservación de energía pero no conservación de cantidad de movimiento. Incluso cuando hay conservación tanto de la energía como de la cantidad de movimiento, en general las ecuaciones correspondientes son independientes ya que L φ , i y L φ ˙ podría tener estructuras completamente diferentes.

Gracias por la aclaración. Pero la densidad lagrangiana no puede depender explícitamente de la variable tiempo (espacial), ya que entonces no sería manifiestamente una densidad escalar de Lorentz. Si el lagrangiano depende de X m , su argumento es menos convincente. Así que todavía no creo que tu argumento muestre del todo que son independientes.
Ya lo veo. Está diciendo que para las teorías covariantes solo hay 3 ecuaciones y en las teorías no covariantes hay 4. Solo me interesan las teorías covariantes. Creo que su argumento sobre si 3 componentes de un vector de 4 son cero en todos los marcos, entonces el cuarto también debe ser cero es suficiente para mostrar que solo hay 3 ecuaciones. Gracias.
Había marcado esto como la respuesta correcta, pero ahora no creo que sea suficiente. @AVS argumenta que si 3 componentes de un vector de 4 son 0 en todos los marcos de referencia, entonces el cuarto debe serlo. Sin embargo, se podría hacer el mismo argumento con solo 1 componente: si 1 componente de una ecuación de 4 vectores es cero en todos los marcos de referencia, entonces todos deben serlo. Pero, por supuesto, uno obtiene al menos 3 ecuaciones de movimiento independientes (de lo contrario, todos los modelos de fluidos relativistas generales serían irresolubles).