¿Puedo usar un campo de tensor de rango superior como campo de métrica?

Lo que necesariamente debe hacer una métrica es proporcionarme una forma de asociar un número invariante de cuadro con un par dado de eventos de espacio-tiempo. Ahora, si uso un campo de tensor de rango superior (digamos, por ejemplo, un campo de tensor de rango 3: gramo m v ρ ) entonces también puedo producir un marco escalar invariante a partir de un desplazamiento dado A de esta manera trivial: I := gramo m v ρ A m A v A ρ . Dado que las componentes del tensor de rango superior y la del vector de desplazamiento se van a transformar de manera covariante y contravariante respectivamente, la cantidad cocinada es ciertamente un escalar.

Otra propiedad crucial, que creo que tiene un contenido físico más directo que la anterior, es que entre dos marcos inerciales debe existir al menos una transformación que deje al menos una métrica invariante. es decir, debe existir al menos una combinación de matriz de transformación X α X m y métrico gramo α β γ que satisface la siguiente ecuación:

X α X m X β X v X γ X ρ gramo α β γ d m α d v β d ρ γ gramo α β γ = 0

Lo último que se me ocurre que puede poner una restricción a la elección de un tensor como métrica es la existencia de una posibilidad de encontrar un campo de conexión simétrica compatible con la métrica. Siguiendo el procedimiento habitual de encontrar la expresión para un campo de conexión simétrico compatible con la métrica, llegué a la siguiente condición (a diferencia del caso de la métrica habitual de dos rangos donde obtenemos una expresión completa) para la conexión en los términos de la métrica:

gramo v ρ k 1 Γ m λ k 1 gramo λ m k 2 Γ ρ v k 2 = 1 2 ( v gramo ρ λ m + ρ gramo λ m v λ gramo m v ρ m gramo v ρ λ )

Mi pregunta es que si es posible satisfacer las dos condiciones resaltadas, ¿podemos usar campos de tensor de rango 3 (o incluso tensores de rango superior con condiciones producidas de manera similar) como campos métricos?

PD: Esta NO es una propuesta para una nueva teoría de la gravedad de producción doméstica (o de cualquier otra cosa), sino que es solo que estoy tratando de entender por qué se usa un tensor de dos rangos en la Relatividad General como la métrica. Gracias.

ciertamente puede considerar tensores de rango superior, pero ¿por qué querría llamarlos métricos ? una métrica es, por definición, , , es decir, es un producto interior. Puede definir objetos como , , , pero estos no tienen nada que ver con la definición estándar de una métrica...
La métrica no es (por su propia definición) lo que define el producto interno. Métrica es (por definición) lo que mide. El punto es ¿siempre debo representar mi medida como el producto interno de un desplazamiento consigo mismo o puedo hacer un triple producto interno del desplazamiento consigo mismo para representar la medida y formular la teoría en esos términos? ¿Hay algo malo con la Física al hacerlo o no? Quiero decir que puedo salir a la naturaleza y determinar cuál es mi métrica. Ahora ciertamente importa si tiene 10 bits de información independientes o más.
Me parece que esto es más una pregunta de matemáticas que de física.
¿Ayudaría si digo que estoy tratando de entender con el método de la contradicción? es decir, demuestre que los otros tensores no pueden servir y, por lo tanto, el tensor de dos rangos debe ser la única opción.
OP, la métrica es solo una forma de definir la longitud de un vector gramo ( X , X ) y el ángulo entre dos vectores gramo ( X , y ) = porque θ gramo ( X , X ) gramo ( y , y ) en un múltiple. Tiene dos argumentos, por lo tanto es un tensor de 2, y las reglas habituales de los productos internos le dan simetría. No está claro qué te daría matemáticamente un producto trilineal simétrico. Si es físicamente útil es otra cuestión. Pero ciertamente no sería una "métrica".

Respuestas (3)

I) OP está interesado en la covariante totalmente simétrica ( 0 , r ) campos tensoriales

(A) gramo Γ ( S y metro r ( T METRO ) )
en una norte -variedad dimensional METRO . El número de componentes del tensor totalmente simétricas son
(B) ( norte + r 1 r ) .

II) Si la variedad METRO es paracompacta , podemos usar la partición de la unidad para probar

  1. que existen valores definidos positivos definidos globalmente campos tensoriales (A).

  2. que existen conexiones de haz tangente sin torsión definidas globalmente .

(Para ver el punto 2, use el punto 1 para el caso r = 2 para deducir la existencia de un campo tensorial métrico definido positivo definido globalmente y, por lo tanto, una conexión Levi-Civita globalmente definida .)

III) A continuación, extraemos la parte interesante de la pregunta de OP de la siguiente manera:

¿Podemos elegir una conexión de haz tangente libre de torsión? eso es compatible

(C) gramo   =   0
con un campo tensorial dado (A)?

Genéricamente la respuesta es No, ni siquiera localmente, si el rango r 3 . Esto se debe a que el número

(D) norte ( norte + r 1 r )
de las condiciones de compatibilidad (C) es mayor que el número
(MI) norte ( norte + 1 2 )
de los símbolos de Christoffel, si r 3 . Entonces las ecuaciones están sobre-restringidas.

IV) Dejamos al lector generalizar lo anterior a (no necesariamente totalmente simétrico) de rango superior ( s , r ) campos tensoriales. Los campos tensoriales de rango superior aparecen, por ejemplo, en la teoría de cuerdas , los modelos sigma AKSZ y las teorías de espín superior . Para generalizaciones de la geometría de Riemann , vea también la geometría de Finsler .

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Definimos que el campo tensorial gramo es definida positiva si

(F) pag METRO   X pag T pag METRO { 0 } : gramo pag ( X pag , , X pag r  entradas )   >   0.

Gracias por resolver mi duda! Encontré este artículo en arXiv (que también tiene algunas similitudes con su respuesta en sus argumentos sobre la conexión) que discute la introducción de tensores simétricos de rango superior junto con un campo de conexión métrico y sin torsión en la construcción de una acción modificada de Einstein-Hilbert . ¿Podría comentar sobre la relevancia de tales propuestas para la corriente principal de la Física Teórica? arxiv.org/abs/1409.6757
Actualicé la respuesta.
@Qmechanic, wow, esta respuesta es muy densa en conocimientos. ¿Conoces algún libro en el que pueda leer sobre estos temas y llegar a comprender tu respuesta? Para que conste, actualmente estoy leyendo el capítulo 2 de Geometría diferencial y grupos de Lie para físicos de Fecko .
Gracias por la respuesta. No recuerdo ninguna referencia relevante en este momento.

Dado un espacio vectorial V , una métrica se define como un mapa que, dados dos elementos v , tu V , asocia un número real positivo d ( v , tu ) 0 , es decir, la distancia entre los dos. Dado que una distancia se puede derivar de un producto escalar σ por medio de d ( v , tu ) = σ ( v tu , v tu ) asignar una métrica es equivalente a asignar un producto escalar.

Un tensor de 2 rangos es, por definición, un mapa multilineal τ : V × V C y por lo tanto exactamente un producto escalar. Dado METRO como variedad de espacio-tiempo con gráficos tu i y espacios tangentes T metro METRO en cada punto metro METRO , es natural definir los productos escalares en cada punto como la acción de un ( 2 , 0 ) -tipo tensor sobre los vectores, evaluados en cada punto: a saber

σ ( X metro , Y metro ) = gramo ( metro ) ( X metro , Y metro )
induce una distancia definida positiva en cada T metro METRO proporcionó gramo ser positivo-definido.

Esta parece ser la opción más natural y, aunque uno podría usar un tensor de rango más alto, sería necesario evaluar los componentes restantes en bases fijas en cada uno. T metro METRO (para agotar las entradas restantes), lo que reduce la acción exactamente a un tensor de 2 rangos nuevamente.

Definitivamente podría usar métricas de orden superior, de modo que el elemento de longitud sea ( d s 2 ) norte , pero eso sería geometría no riemanniana, es decir, no GR, además de que tienes que enfrentar la posibilidad de C norte características similares a la luz, falla general de invariancia de Lorentz, etc.

La métrica no es una forma de 2, es un tensor simétrico.
@Slereah Gracias por señalar la corrección. ¿Cuál es la razón de usar un tensor covariante simétrico de rango 2 como la métrica en GR si también puedo obtener "una conexión simétrica compatible con la métrica, así como la transformación que, en un espacio plano, deja mis componentes métricos invariantes" mediante el uso de un tensor covariante simétrico de rango n general como la métrica?
@Slereah sí, tiene razón, pero en el ámbito de los espacios vectoriales y las asignaciones, creo que las formas bilineales y bilineales (métricas) se ven como lo mismo, aparte del hecho de que el tensor métrico debe, por definición, ser simétrico y definido positivo , cuando en geometría riemmaniana. ¿No es así?
No, no se ven como lo mismo. A k -la forma en un espacio vectorial es totalmente antisimétrica k -tensor, esta es la terminología estándar.
@0celo7 tienes toda la razón. Me confundí un poco aquí. ¡Gracias!