Tensor de energie a impulsurilor

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Componentele tensorului energetic al impulsului.

Tensorul energie-impuls , numit și tensorul energie-impuls , este un tensor definit în contextul teoriei relativității . Descrie fluxul de energie și impuls asociat cu un câmp .

Definiție

Tensorul energetic de impuls este tensorul de ordinul doi care asigură fluxul componentei -alea a impulsului printr-o suprafață cu coordonate constant. În relativitatea generală , impulsul este de patru impulsuri și, prin urmare: [1]

unde este este un termen constant. Prin efectuarea integralei pe hiperplan avem impulsul în trei dimensiuni:

cu elementul spațiului tridimensional e volumul conținut în .

Componentele spațiale ale tensorului sunt, prin urmare, componentele tridimensionale ale impulsului clasic, în timp ce componenta temporală este energia împărțită la viteza luminii : reprezintă vectorul total energie-moment al regiunii spațiului în care este integrată extins.

Tensorul este folosit pentru a exprima conservarea impulsului de patru, oferit de ecuația de continuitate :

De fapt, corespunde curentului Noether asociat cu traducerile în spațiu-timp și, în relativitate generală, această cantitate acționează ca sursă a curburii spațiului-timp. În spațiu-timp curbat, integrala spațială depinde de porțiunea de spațiu în general și acest lucru înseamnă că nu există nicio modalitate de a defini un vector global de energie-impuls într-un spațiu-timp curbat general.

Tensorul este, de asemenea, simetric: [2]

iar componenta timpului este densitatea de masă relativistă , adică densitatea energiei împărțită la viteza luminii la pătrat:

Fluxul de masă relativistă pe suprafață este echivalent cu densitatea componentei a i-a a impulsului: [2]

Componentele spațiale ale prin urmare, ele reprezintă fluxul impulsului i prin suprafață . În special, reprezintă componenta normală a tensiunii interne , numită presiune atunci când este independentă de direcție, în timp ce reprezintă tensiunea de forfecare .

Derivare

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: principiul variațional al lui Hamilton și acțiunea (fizica) .

Luați în considerare un sistem în care acțiunea are forma dată de integralul în patru dimensiuni:

unde este este densitatea Lagrangiană în raport cu elementul de volum , o funcție a coordonatelor generalizate , a derivatei și a timpului acestora. Principiul variațional al lui Hamilton stabilește că mișcarea unui sistem fizic între două instanțe ale spațiului de configurare este de așa natură încât acțiunea este staționară în corespondență cu traiectoria mișcării pentru mici perturbații ale aceluiași, adică și, prin urmare: [3]

Dacă se aplică teorema lui Gauss și se ia în considerare integralul asupra întregului spațiu, al doilea termen dispare. Ecuația mișcării ia apoi forma ecuației Euler-Lagrange :

unde indicele repetat implică suma, conform notației lui Einstein . Înlocuind această expresie în interiorul:

primesti:

De cand , tensorul energetic al impulsului este definit ca:

astfel încât expresia să ia forma:

Teorema divergenței permite transformarea integralei volumetrice a acestei derivate într-un flux prin hipersuprafață care delimitează volumul: [4]

unde este este patru impulsuri ale sistemului e un termen constant care este de obicei stabilit egal cu : raportul precizează că se păstrează.

Conservarea Energiei

Scriind în mod explicit derivatele ecuației de continuitate avem expresiile: [2]

Prin integrarea ecuației din stânga pe volum și folosind teorema divergenței obținem: [5]

Primul termen este variația energiei conținute în volum , al treilea reprezintă deci cantitatea de energie care scapă de la suprafața care delimitează volumul, cuantificată ca integrală pe întreaga suprafață a fluxului infinitesimal prin elementul de suprafață . În electrodinamică , densitatea fluxului de energie asociat câmpului electromagnetic este dată de vectorul Poynting .

Prin aplicarea aceluiași procedeu componentelor spațiale ale tensorului, se obține ecuația analogică de continuitate pentru impuls: din acest motiv componentele spațiale ale tensorului energie-impuls constituie tensorul tensiunii .

Tensorul energiei pulsului câmpului electromagnetic

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Tensor de solicitare electromagnetică .

Tensorul de energie de impuls asociat cu câmpul electromagnetic într-un univers punct fără încărcare, numit tensorul de tensiune electromagnetică, este definit în sistemul internațional de unități și în spațiul-timp plat Minkowski (adică în aproximarea câmpului (electromagnetic și de altă natură) de intensitate scăzută) precum: [6]

unde este este tensorul electromagnetic . Forma matricială explicită (tensorul simetric) este:

unde este este vectorul Poynting , tensorul metric al spațiului-timp Minkowski :

Și Tensorul de stres al lui Maxwell : [7]

Rețineți că unde c este viteza luminii .

Tensorul energie-impuls asociat cu câmpul electromagnetic pur într-un univers punct fără încărcare în relativitatea generală intră în ecuația câmpului Einstein în care tensorul energie-impuls trebuie să conțină, de asemenea, toate influențele datorate masei și altor câmpuri prezente în univers .

Notă

  1. ^ Landau și Lifšic , p. 111 .
  2. ^ a b c Landau și Lifšic , p. 112 .
  3. ^ Landau și Lifšic , p. 109 .
  4. ^ Landau și Lifšic , p. 110 .
  5. ^ Landau și Lifšic , p. 113 .
  6. ^ Landau și Lifšic , p. 114 .
  7. ^ Landau și Lifšic , p. 115 .

Bibliografie

Elemente conexe

linkuri externe

Relativitatea Portalul relativității : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de relativitate