[Playlisten] [Impressum und Datenschutzerklärung]

Viererstrom, Energie-Impuls-Tensor, Levi-Civita-Symbol


CC-BY-NC-SA 3.0

Tempo:

Anklickbares Transkript:

inder speziellen Relativitätstheoriebeschäftigt man sich erst mal mit Punkt Teilchendie kann man schön mit Vektorenund Zensorenbeschreibeninsbesonderedie Energie Impulserhaltungwird so eine schöne Vektorgleichungich nehme denViererimpulsdes ersten Teilchens was eingeht plus den Viererimpulsdes zweiten Teils etwas eingefügt und kriege die Summe der Viererimpulse der Teilchen die raus kommenspäter dann in der allgemeinen Relativitätstheoriegeht's um solche Geschichtenwie Gaswolkendie sich zu Sternenballenmit irgendwelchen mehr oder minder kompliziertenBewegungenspätestens da muss man mit Tensorfeldernarbeitenwill sagen Zensoren die von Ort und Zeit abhängenein ganz wichtiges Tensorfeldwird der Energie-Impuls-Tensorseinein Tensor zweiter Stufe ein Tensorfeldeigentlich zweiter Stufeich schreib das von X diese Abhängigkeit mal nicht hinund diese Energieimpulserhaltungwird nun folgendeswenn ich den Energie-Impuls-Tensornehme und ich leite ihn ab nach der Nöten Koordinateund summieren dann über Menükriege ich null rausdas wird unsere Energieimpulserhaltungnach ?? werdenhier wird es um Ströme gehen jeweils um dichtenvon Teilchen gehender allererste Begriff und die man sich kümmern muss ist der des Volumenswie funktioniertVolumenberechnungin 3Dund dann in vier diebefangen mal in 3D an das es leichter zu malendrei Vektorenim Raum egal welcheSpannung ein Volumenaufein sogenanntesParallelitätwas ein Schieferquaderund jeweilsvier Seitensind paralleldiese hier sind alle zu A paralleldie See sind alle zu C paralleldieses Volumen nenn ich malvollvon den drei Vektoren ABCmeine private Notationnetterweise kann man dieses Volumen sofort schreiben als Determinantedafür die Striche aus A eins A zweiA dreidie Komponenten des ersten SektorsB einsB zwei B dreiC einsC zweiC dreidass das sogenannte Sparproduktdieser drei VektorenParallelgebetheißt auch gerne einfach spartdas es dasselbe sein muss Komma sich leicht überlegen indem man sich die Eigenschaftender Determinanteund die Eigenschaften dieses Produktsangucktwenn ich einen Vektor vervielfachenvervielfacht sich das Volumengenausoder Wert der Determinantewenn ich eine Summe von Vektoren habe zum Beispiel statt Akann ich die entsprechenden Determinanten addierengibt die Determinante mit der Summe trennenund was sie noch gar nicht erzählt habe dieses Volumen ist mit Vorzeichenzu verstehenwenn das eine rechte Hand ist ABCDaumen und ZeigefingerMittelfingerdann soll dieser Wert positiv sein wenn das linke Hand ist soll dieser Wert negativ sein und dass es eben genau was Determinante schafft?? hier haben es mathematisch eine antisymmetrischeMultilinearformMultilin Jahr mehrfach im Jahrin jeden dieser drei Vektorenist dieser Ausdruck den Jahrennicht in Summe habe oder das fifa eines Sektorskann ich die Summen zerlegen und das vielfache raus ziehen dass es Multimediaantisymmetrischwenn ich zwei von den vertausche egal welcheändert sich das Vorzeichenund für diese Determinantegibt es nun eine kurze Schreibweisedie Determinante besteht helfen Sie ausreichend aus allen möglichen Produkten eine aus der ersten Spalte einer aus der zweiten Spalte einer aus der dritten Spaltemit Vorzeichen plus oder minuszum Beispieleins mal B zweimal C dreiplusB eins mal C zweimal A drei plusoderminusA dreimal B zweimal C einsProdukte erst zweite dritte Spalte mit Vorzeichenauf summiert das schreibt man hineinaus der ersten Spalte eine aus der zweiten Spalteeine aus der dritten Spaltediese Produkte auf summierenmit den richtigen Vorzeichendiese Vorzeichen nennt man epsilonhier jetzt I J Kdas ist das sogenannteLevi-Civita-Symbolepsilon eins zwei dreieins B zwei C drei soll eins seinwenn ich zwei vertauschezur minus eins rauskommenzwo Zeichen ändern wenn ich noch mal zwei vertausche kommt wieder plus eins rausund so weiterwenn zwei von den gleich sind zu Beispiel epsilon eins eins zweidann ist Y nullA einsB einsC zweikonnte nicht vor in der Determinanteich brauch aus jeder Zeile genau einen Eintragin vier Dimensionenfür das ganze unübersichtlichwird aber doch hoffentlichgenauso funktionierennicht auch eine vier mal vier Matrix von vier Vektorenhier stehen vier Summenund das Levi-Civita-Symbolkriegt vier Indicesnun also das Volumen was von vier Vektoren aufgespanntwird im vierdimensionalein Parallelgebetim vierdimensionalschreib mal wieder keine VektorpfeileVierervektorensoll seinund dieses Volumen soll natürlich wie eben auch wieder mit Vorzeichengenommen seinPunkt ich sage ganz dreist schön wir bilden einfach eine Determinanteaus den Komponenten dieser vier Vektorender ersten Spalte das Arden kommt das B und so weiterdann kommt das C und dann kommt das D und so weiterdass wir natürlich überraschend wenn ich eine beliebige Basis nehmen kann und dass so funktioniertich verstehe ja hierdas dieser Vektorartgleich arm Ü E Mühe ist und so weiter für die anderen für eine gegebene Basisso komme ich auf diese an null eins eins A zwei A dreidie Komponentenbezüglicheiner gegebenen Basisich sage sicherheitshalberich nehme mal einem Basisdie schön ist sozusagennämlich eine deren Basisvektorendieser Eigenschaft haben wenn ich die miteinander multiplizierekommt minus eins oder plus eins oder null rauswenn ich eh null mit sich selbst und Offiziere kommt eins rausdas Wattesymbol etwawenn ich E eins mit E eins multiplizierekommt minus eins raus zwei zwei minus eins drei drei minus eins alle anderen Kombinationen geben nulldas naht Verallgemeinerungdes Begriffs Orthonormalbasisso eine Basis werde ich erst mal und schreibe diesen Ausdruck hin und gucke was in einer allgemeinenBasis passiertfindet man nämlich man braucht noch eine kleine Zutat damit das umziehen kann?? nur mit einem Trick an nicht bilde das Produktdreier Matrizenin der Mitte steht der metrische Tensor in der allgemeinen Basisrecht schreib die Komponenten meiner vier Vektoren in dieser allgemeinen Basis hinlinks schreibe ich das transponiert?? davon ihn aus diesem Matrix gestürztund nun rechne ich mal aus was passiert dieses Produkt hier hintenlinks oben stehtG null null Mala oben null G null eins Mala oben eins ?? null zwei Mala oben zwei G null drei Mala oben dreidas ist schlicht und ergreifend A und nullich benutze den metrischen Tensor und den Index zu senkenin der ersten Spalte zweite Zeilehabe ich vornehmer den Index einsmal diese Komponenten es wird aber unten eins werden A und zwei A und dreiund die anderen Spalten genetisch dann entsprechend B und null C und nullD und null und so weiterjetzt muss ich noch diese Matrix mit der Multiplizierenlinks oben steht aber oben null mal A und N null plus A oben eins mal aber unten eins groß A oben zweimal?? unten zwei obendreinauch unten drei also mit anderen Worten Arm in Arm Mühedas Produkt von Ar mit sich selbstso schreibe ich das mal das Produkt von Ar mit sich selbstda drunter B oben nullmal einer unten nullplus die oben eins mal A unten eins und so weiter und so weiter das wird werden das Produkt von B mit Aund dann kommt sieund dann kommt DPunkt in der nächsten Spalte wird natürlich mit B das Produkt werdenA mit B multipliziertarme CA mit und so weiterdie Einträge in dieser Matrix sind jetzt lustigerweise unabhängig von der Basisder Skalarproduktist ja ein Skalarbesteht eine Matrix aus lauterKanarenwenn ich von dieser Matrix die Determinante Bilderhabe ich wieder einen Skalarwas ist aber die Determinantedavon netterweise ist ja die Determinanteeines Matrizenproduktsdes Produkt der Determinantendieser Skala die Determinantevon dieser Matrix ist die Determinante von der mal die Determinante von der mal die Determinante von derbesser noch die erste Matrix hat dieselbe Determinante wie die letzte war die erste nur das transponiert ?? der letzten ist ich kriege alsodie Determinantedes metrischen Sensorsmaldie Determinante dieser Matrix ins Quadratmuss ein Skalar seinschreibe das mal so die Determinantevon den metrischen TensorG null nulläh null einsund so weiterund nach unten G eins null und so weiterich bin fauldie Determinante von metrischen Tensor von dem hiermal die Determinantevon dem hier ins Quadrathier stand mir einfach die Komponenten der vier VektorenA null B null und so weiterund nach unten dann A eins und so weiterins Quadratist ein Skalarhängt also nicht von der Basis abdem ?? Ernte des metrischen Tensor aus denen man gerne klein Gdies offensichtlich kein Skalar sondern hängt von der Basis abund jetzt kommt der Kunstgriffwenn ich nicht in einer beliebigen Basis bin sondern in einer schönen Basisbei dem die Basisvektorendiese erfüllenzwei verschiedene Basisvektorenergeben im Skalarproduktnulldas Grauprodukt eines Basisvektor mit sich selbst Mühlmühlergibt plus oder minus einsdann weiß ich ja schon was hier stehtder metrische Tensorist dann eins null null nullminus eins minus eins minus eins gerade diese Matrix etwaund hier stehtdas Volumenvon CD ins QuadratKlammer zu Mitdenken dieses Produkt ist ein Skalarhängt also nicht von der Basis abdann kann ich insbesondereals Basis ja so eine schöne Basis nehmen und dieses hier der metrische Tensor ist wenn ich das tue steht hier hintendas Volumen ins Quadratkann ich rückwärts sagen was denn das Volumen istin einer beliebigen Basis ausgedrückt ich löse nach dem Volumen auf und jedes Determinante ist natürlich offensichtlichminus einsdas Volumenist alsoich muss diese minus eins auf die linke Seite bringen und dann die Wurzelziehenmacht alsodie Wurzel aus minusgehmal die Determinanteder Komponentenin einer beliebigen Basisund Gist die Determinante des metrischen Sensors in dieser beliebigen Basisdie Determinanteschreiben und wieder mit epsilongibt's das epsilon in vier Dimensionendas Levi-Civita-Symbolin vier Dimensionenalso vier in DCS ich sage mal total am Darmmenüund die Komponentenvon diesen vier Vektorender TallanderMenü und Isolationist ja bei griechischen Indicesinklusivejetzt aber noch mal zu diesem Levi-Civita-Symbolin vier Dimensionenepsilon null eins zwei drei soll natürlich wieder eins sein wenn alle in der richtigen Reihenfolge stehenwenn ich hier die Determinante der Einheitsmatrixausrechnen willsobald zwei Indices gleich sind sagen wir eins eins zwei drei kommt null rausnatürlich auch wenn drei Indices gleich sind von mir aus zwei drei zwei zwei dann kommt auch nur rausantisymmetrischwenn ich zwei Vertauschung sagen wir Y eins null zwei drei dann kommt minus eins rausetwas überraschend ist wenn ich zyklisch durchtauscheepsiloneins zwei drei null dann bekomme ich minuseins dass es im vier dimensionalen anders als in dreidimensionalen?? miteinander ?? Determinanten zyklisch durch tauschenund sie an denselben Wert im vierdimensionalgibt das Vorzeichen nicht zyklisch durch tauschesich leicht überlegen wie komme ich von eins zwei drei null auf null eins zwei dreiich tausche den ersten und den letztenSinn habe ich null zwei drei einsich tausche den zweitenund den letzten dann habe ich null eins drei zwei und ?? genau diese beiden haben null eins zwei dreidrei Vertauschungminus eins mal minus eins mal minus eins macht ein minus einsdas ist überraschendist aber so im vierdimensionalnoch mal hingeschriebendas Volumenmit Vorzeichenwas in diesem vier dimensionalenparalleleGebet ist ist ja auch so ein vierdimensionalzu unklarist also die Wurzel aus minus der Determinante des metrischen Tensormal epsilonTetralanderMenüund nun die Komponentenvon diesen vier Vektorender Tal am DarmölMühedieses Volumenist eine feste Zahl gängig von der Wahl der Basis ab das ist also ein Skalardiese vier Kandidaten hier sind alles ordentliche Vierervektorensogar beliebigeVierervektorenfür die ich immer das Volumen jemals ausrechnen kannkann man sich überlegen dass das hier ein Tensor sein mussder erste Tensor vierter Stufe den wir sehendas kein Tensor wärekönnte das kein Skalar sein wenn ich hier tatsächlich beliebige Vierervektoreneinsetzen darfsolange ich nur mit schönenBasenrechnerbei den der metrische Tensor immer eins minus eins minus eins minus eins diagonal istist dieser Faktor hier nicht spannen dann bitte einfach einsdas hat man sehr oft in der speziellen Relativitätstheoriein der allgemeinen Relativitätstheoriekann man diesen Faktor hier nicht mehr ignorierenein Zimmer drum zu schreiben wie den Materie und Energie durch den Raum strömtwie kann ich das angeben dass sie jetzt soundsoviel Kilogrammin dieser oder jener Zeit mit dieser oder jener Geschwindigkeitin eine bestimmte Richtung fließendazu brauche die ViererstromDichtein einem Internat ?? ?? eigentlich immer von Stromdichteim vierdimensionalist es gerne kurz aber nur Viererstromvorkommen undin vier Dimensionen wird das ziemlich eklig deshalb betrachte jetzt erst mal zwei Raumdimensioneneine Zeitdimensionund ein feststehendesFenster wie viele Teilchenfliegen durch ein feststehendesFensterwenn ich zwei Raumdimensionenund eine Zeitdimensionhabe wie kann ich das beschreibenso sieht also meine Welt aus x-Achse y-Achsezwei Raumdimensionund eine Zeitdimensionvor sich dieses ist nicht die Zeitachsegeradeein Fenster in einem zwei dimensionalenRaumist nur eindimensionalso sehr das Fenster aus hier unten in der EbeneT gleich nullich sage zur Zeit T gleich Null soll das Fenster aufgehenund nach einer bestimmten Zeitsonst wieder zu gehen dass es aber das Fenster am Endeim Moment zu dem es zugehtfür einen Zeitpunkt zwischendurch sind wir vielleicht hierdas ist also mein Fensternun hätte ich gerne einen homogenenTeilchen Stromim wahren Leben sind Teilchenströme natürlich nicht homogender Gedanke ist wenn ich mit der Lupe guckedann wird es schon halbwegs homogen werdeninsofern beschränke ich mich jetzt hier mal auf einen homogenen Teilchenstromsein Leerzeichen was in der X Y Ebene startetentwickelt sich hier in diesem Raum Zeit Diagrammrechts sofliegt also in diese Richtungwenn man die Richtung in der Ex Y Ebene eintragen würdeund jetzt markiere ich welche Teilchendurch das Fenster kommenzwischen der Öffnung und dem Schließenhier auf der siebzehn eben sitzt das Teilchen ist es gerade noch schafftan diesem Ende durchs Fenster zu kommen und alle die zwischen diesen beiden Positionensitzen wenn es natürlich auch schaffen analog hierauf dieser Seitealle Teilchen die hier Staaten in der kritischen Ebene die werden es durchs Fenster schaffenalle anderenwenn es nicht schaffendas heißt um die Zahl der Teilchen zu bestimmendie durchs Fenster gehenkann ich mir diese Fläche anguckendie Dichte der Teilchen mal diese Flächewas wird die Anzahl sein sowohl die Anzahl in dieser Fläche wie auch die Anzahl von den die durchs Fenster kommendiese Flächeist also proportionalzur Zahl der Teilchendie durchs Fenster kommenund jetzt Probleme denselben Trick mit ein Fenster das nicht fest stehtund sich öffnet schließt und sogar noch bewegtdas soll nun mein allgemeinesFenster seinin zwei Raumdimensionund einer Zeitdimensiondes geht hier unten auf?? sagenzu dieser Zeitdas es wieder die Zeitachse ja die Zeitachseund die oben geht es zuaber es geht langsam auf es fing das Punkt an und dann wird es immer längerund irgendwannwird's dann wiederkürzer werdenist es verschwunden istso sieht also mein Fenster ausin zwei Raumdimensionendes geht nicht nur auf uns zu sondern es bewegt sich ja auch noch während dessen ?? das beschrieben durch diese beiden Vektorenund kann ich wieder gucken wie viele Teilchenes denn schaffen durch dieses Fenster zu fliegenderselbe Trick für eben ich markiere das in der X Y EbeneTeilchen die in diesem Parallelogrammliegen die werden es schaffendieses Teilchen geht hier durchs Fensterwill sagenFalling zu dieser Zeit durchs Fenster und dieses Teilchenist später dransolange ich den Teilchenstromnicht änderewird die Zahl der Teilchen durch Fenster kommen proportionalzu der Fläche unten sein wie ebenund das wird jetzt auf eine raffinierte Konstruktionich sage einfach die Zahl der Teilchendie durchkommenin Abhängigkeitvon diesen beiden Vektoren A und Bbei festemTeilchenstromdasselbe physikalische Experimentich nehme nur andere Fensternicht mehr diese Zahl anguckedann ist die bilineareund sinnvollerweiseantisymmetrischin diesen beiden Vektorendie Fläche unten überlegt man sich wieder leicht wenn ich BV Doppler verdoppelt sich die Fläche wenn ich Vektorensummieren hier werde ich auch hier summieren und so weiterdie Anzahl ist ja in jedem Faktormöchte wieder die Orientierung einrechnendieses Fenster soll eine Orientierung kamen die Teilchen in die richtige Richtung fliegenist die Zahl plusdie Teilchen die falsche Richtung fliegen ist die Zahl negativund das mache ich mit dieser Antisymmetriewie beim Volumen ebendiese Beobachtungdie kann man jetzt ins vierdimensionalübertragen die Zahl der Teilchendie durch ein Fenstergehensoll gefälligst multiplen Jahr von den Kantenvektorenabhängen und antisymmetrischein in den Kantenvektorenvierdimensionalwill ich also folgendesfindet Teilchen Strom fest istsoll die Anzahl der Teilchen die durchs Fenster gehen das hat dann drei Kantenvektorendas Fensterdie Anzahl der Teilchen durch durchs Fenster gehen sollMultilineartrilineare Mann will seinund antisymmetrischin diesen drei Vektorendas können jetzt mit einer Basis hinschreibendiese Anzahlvon drei Vektorenden ersten ?? nicht mal A alphaE alphamit einer Basis E den zweiten nämlich B Beta E Betaund den dritten nämlich C Gamma E Gammadieser Ausdruck soll insbesondereleben ja in jedem von diesen drei Vektoren sein das heißt ich kann diese Summen Alpha alpha raus ziehen und die Koeffizientenraus ziehenmacht also?? Alphabetbetter HC gammaund nunmuss ich nur noch berechnen was passiert wenn hier eh Alphaäh BetaGamma drinnen stehenwie viel Teilchen kommen durch so ein Fenster durch ?? mit so schönen Abmessungendas sehen Sie hierzu aus als ob man vier mal vier mal vier Zahlen ausrechnen müsste netterweisenichtsweil das ganze hierher eben antisymmetrischist insbesondere an die Fenster in vielen Fällen gar keine Flächezum Beispieleben null null null nehmemuss er natürlich nur rauskommenwenn ich nehme null null einszwei gleiche Kanten schon wieder nullnull null zwei fällt sowiesound neun null dreiaus dem selben Grunde weg null eins null auch nicht null eins einsschon wieder zwei gleiche bringt's nicht null eins zwei da habe zum ersten Mal wasspannend ist null eins da ist auch spannendKomma weiter null zweinullzuwider zwei gleiche null zweieinsdes nichts Neues ja bisher nur zwei vertauschtdas heißt wenn ich null eins zwei ausgerechnet Habendenvon E null E einzige zweinicht den mit Minuszeichenund so weiterda bleibt nicht viel übrig netterweisewirklich angeben mussvier Stück muss sich nur angeben und in den ich dort oben nur wird oben einswird oben zwei J oben dreioben eins ist der einfachste?? sage ich das es dieser Anzahl N vonihnen null E zweiE dreiE einsscheint zu fehlen da steht die einst und noch nicht ganz ich brauchedamit die Einheit nach schön sind noch die Lichtgeschwindigkeitdie tut er nicht viel zur Sacheund damit das ganz richtig konsumiert brauche ich noch die Wurzel aus minus G sind wir gleich warum dieser Ärger?? zwei wird analog hiermitnulldreieinsund J drei analog mit null eins zweidie Nummer null es etwas überraschendversteht dann E eins E zwei E drei drin aber mal minus eins und zu ärgern?? gleich sieht man warum dieses minus eins Sinn ergibtund damit kann ich jetzt diese Zahl N anders schreibenich lasseA oben alpha B oben Beta HC oben Gamma stehen und jetzt für Neins durch die Lichtgeschwindigkeitwurzeln minus Determinanten des metrischen Tensorund nun Levi-Civita-Symbolunten Alpha Beta Gammalanderund dieses J lambdadas ist mein neuer Ausdruck hier hinten für Nkann ein Beispiel wie man es prüfen kann wenn ich zum Beispiel habe Alpha gleich null Wetter gleich drei Kammer gleich einsnulldreieinswill ich ?? eben N von E null äh drei eins dahin stehen habendas Levi-Civita-Symbolergibt null es sei denn ?? steht mit zweizog man sich an ob das plus oder minus eins sein sollich vertauschen die eins und die dreiTäter null eins drei zwei und dann vertauschte ich noch die hinteren beiden dann später null eins zwei drei zwei Vertauschungzweimal Faktor minus eins dieses hier ist der Faktor plus einseinzig Tschibo zu GC durch Vorzüge heben sich weges steht da was verstehen mussdie Anzahl der Teilchen die durch das Fenster kommenmuss ein Skalar seinegal wer die ab zähltder soll gefälligst dieselbe Anzahl rauskriegenspannt für das schleichendeQuantenfeldtheorieaber wenn uns die Teilchen hier wie Tischtennisbällevorstellenkein Problemdas hier muss eine Skalar Größe seindiese drei hier sind beliebige Vierervektorendieses hier weiß inzwischen ist ein Tensoreins durch C macht nichts kaputtdann muss unser J ein Vierervektorseindieses J das ist der Viererstromder beschreibt in welche Richtung und mit welcher Dichte die Teilchen ließenmit dem Gewicht raus wie viel Teilchen durchs Fenster kommenegal welches Fenster das istjetzt kann man sich überlegen was denn in diesem Vektor J den eigentlich drinnen stehtin einer schönen Basis ich sage mal wieder dieses Produkt der Basisvektorenim Menümit anderen Worten der metrische Tensorsoll etwa Menü sein also null oder plus oder minus einsnehme mal zuerst folgendes Fensterzehnmal eine Sekundenull null nulldreizehn ersten Vektornull ein Meter null null für den zweiten und null null ein Meter null für den Drittendas Fenster das hier beschrieben wirdist also ein Meter mal ein Meter in X und Yund es ist offen für eine Sekundeähm gibt anwie viele Teilchen denn während dieser einen Sekundedurch diesen Quadratmeterkommenwir kriegen jetzt das istgemäß Formel eins durch C mal die Wurzel aus minusder Determinante des metrischen Tensorsassenminus minus einsund nun die Determinantevon diesen drei Vektorenund dem Viererstromalso C mal eine Sekundeein Meter ein Meter und ?? entsteht der ViererstromJ null eins zweidrei und der Rest es mit Nullen gefülltund das macht wenn ich die Determinante nach der ersten Spalte entwickeltC mal eine Sekunde maldiese drei ?? Determinantedie nach der ersten Spalte entwickeln ein Meterund diese zwei Determinanten wickeln ein Meter mal J dreiwir haben also einst durch Cwird eins Volts aus minus minus eins malzehn mal eine Sekunde mal ein Meter mal ein MeterQuadratmetermal J drei das soll dieser Anzahl seiendie Lichtgeschwindigkeitverkürzendas ja drei die letzte Komponentedes Viererstromsist also diese Anzahlpro Sekundepro Quadratmeter?? drei ist alsodie Z Komponenteder Stromdichtewie man sie aus dem dreidimensionalenkenntTeilchenpro Quadratmeterund Sekundesenkrecht durch diese Fläche durch den Z Richtungherausuns selbst negativnoch eine andere Anzahl ich nehme folgendesfür den ersten Vektor nämlich C mal eine Sekunde null null aber hier unten jetzt ein ZehntelLichtgeschwindigkeitmal eine Sekunde ist ein Streckeanderen beiden lass ich sonull ein Meter null nullnull null ein Meternullin X Y habe ich jetzt also wieder so eine Fläche von ein Meter mal ein Metermit dem Vektor wird das spannender dieses Fenster ist für eine Sekunde offenaber es bewegt sichin Z Richtungmit ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeitfangen da unten anund kommen irgendwosehr weit weg annämlichein Zehntelder Lichtgeschwindigkeitmal eine Sekundeaus dieser Achse ist doch sehr gestauchtIon geht das Fenster aufdie oben wie das Fenster zuRechner Schema F das ist eins durch die Lichtgeschwindigkeitmal die Wurzel aus minusder Determinantedes metrischen Tensor minus minus einsund hier kommt jetzt unsere Firma vier Determinante wiederdiese drei Vektoren und hinten der Viererstromzehnmal ein Sekunde null nulleins zehntelC mal eine Sekundehier der eine Indexrichtungein Metern null vier der Entwurfseinrichtungein Meter null und hier der Viererstromwird null J eins J zwei J dreigleichich entwickle nach der ersten Spaltegibt es wie eben C mal eine Sekunde mal ein Quadratmeter mal J drei eins durch Ceins klarmalt siemal eine Sekunde mal ein Quadratmetermal J dreiC können wir kürzenkommt ?? zweiter Termplus minus plus minus nach Schachbrettregeldieser mit einem Minusmaldiese obere dreimal drei Determinanteein Meter mal ein Meter mal J nullminuseins durch Czu einsein zehntel C mal eine Sekunde mal ein Quadratmetermal oben J nulldas einst durch C schreibe ich mal zu dem J null dazuein zehntel C mal eine Sekundedas ist die Streckedie das Fensterzurücklegtein zehntel C mal eine Sekunde mal ein Quadratmeterwird das Volumen seindas von der Anfangspositiondes Fensterszu seiner EntpositionreichtKomma sich überlegen was denn dieser Ausdruck machtdas Fenster bewegt sich das Fenster wird hier ganz viele Teilchen überholendie zwischendrinliegendass die Teilchen in der falschen Richtung von oben nach unten durchs Fenster durchgehen war das Fenster von unten nach oben fliegtdas ist dieses minusTeilchen gehen in der falschen Richtung durch das Fensterhier steht das Volumendann muss hier hinten die Dichte stehenwas ist die Dichte der Teilchenund der erste Term den Hammer weiterhin das ist derselbe wie ebendie Teilchen fliegen natürlich weiterhin auch noch in ihre eigene Richtungdamit habe die Bedeutung von J null J null ist die Lichtgeschwindigkeitmal die Dichtejetzt möchte ich formulieren was es bedeutet dass keine Teilchenverloren gehen oder dazu kommen das es die sogenannte Kontinuitätsgleichungein Würfel entlang der Koordinatenachsenalle Seitenlängeninnig groß Lund betrachte diesen Würfel über eine Zeitspannegroß Tim Würfel sind groß N Teilchenund guck ich mein wie viele Teilchen durch die einzelnen Seitenflächenreingehenoder rausgehendiese Flächesenkrecht zu X Richtungdie hat was mit J eins zu tundie X Komponente des Stroms wenn ich das modifizierenmit der Flächeund der Zeit weiß ich wie viele Teilchen verloren gehen wie viele Teilchen gehen durch diese Flächeanalog nach obendie es senkrecht zu Zje gehen also J dreimallänger ins Quadrat mal Zeitteilchendurch und nach hintengehen J zweimalLänge ins Quadratmal Zeitintervallteilchendurchdie Vorderfläche muss natürlich auch noch berücksichtigendas gibt dann diese Bilanz die Zahl der Teilchennach der ZeitspanneTist die Zahl der Teilchen die vorher drin waren im Volumenminus die Idee nach rechts abgewandert sindwobei ich jetzt diesen Strom an der rechten Seite ausrechnen muss sie schreiben ausdrücklich rechts dran Komma plus diejenigen die vor links reingekommen sind also plusJ einshier auf der linken Seite berechnetmal L Quadrat T entsprechend für die anderen SeitenY Richtung nach hinten gehenJ zweihinten ausgewertet?? Quadrat T weg und von vorne kommen J zweivorne ausgewertet?? Quadrat T reinund dasselbe mit oben und unten oben gehen J dreiR Quadrat T raus und unten kommen J dreiL Quadrat T reindie Anzahl der Teilchenvorher ist die Dichte die man vorher hatmal die Länge hoch drei die dicht ist die Zahl pro VolumenMalvolumengibt die Zahl und hier steht ?? natürlich analog die Dichtenachhermallänger hoch dreivon diesen FaktorenL Komma schon ganz viele wegnehmenauf der rechten Seite nehme ich die Quadrate wegdann bleiben links nur noch die ersten Potenzenzwinge ich die Dichte vorher auf die linke Seite dann steht da die Differenzdie zeitliche Differenz der dichtenMal die Längedie bring ich auch alle auf die rechte Seite des Hasses ?? plus minus plusminusalsolosdie Differenz in X Richtungrechts linksvon J einswar die Zeithier die Differenzen Y Richtungvon J zwei mal die Zeitund hier die Differenz in Z Richtungvon J dreimaldie Zeit das muss Null sein weil ich alles auf die linke Seite gebracht habejetzt eilig doch durch Tee und durch LI durch T Teil darf ich die Länge weg hierdurchTee teilen sich den Weg durch die Länge durch T durch die Längedurch T durch die Längeeine Ergänzung nochobenund unten schreibe ich den Faktor C dazuerweitere den Bruch mit der Lichtgeschwindigkeitwas haben wir dann hier stetsDifferenz in X Richtung durch die Länge die Differenz in X Richtungdurch die Strecke L das ist schlicht und ergreifenddie Ableitungnach der Komponente Nummer eins nach der Exkoordinatevon J einshier steht die Ableitungnach der Komponente Nummer zwei von J zweiund hierD dreivon J obendreinund hier vorne C mal die Dichte ist J nullich leite nach CT abmacht den nullmit anderen Wortennicht die alle zusammen nehme sehe ich die MüheJ Müllsummationist null oder Kurt gefasstwird Kommamögees gleich null Komma my soll der heißen Patient ableiten nach der Koordinate Nummer will das ist die Kontinuitätsgleichunghinten steht die Dreierdivergenzder Divergenz in dreiDimensionenund hier hab jetzt etwas wie die für ihre Divergenz die Vierer Divergenz dieses Tensorfelsin Viererstrom als Tensorfeld aufgefasstvon Xdiese Viererdivergenzist null ?? sich die Herleitung noch mal genau angucktsieht man hier hinten steht eigentlich sowas wie zusätzlicheTeilchen wie viele Teilchen entstehen aus dem Nichts sozusagen wenden welche entstehen würdenZahl der zusätzlichen TeilchenproVolumenund Zeitdas stetige hinten eigentlichaber wenn die Zahl der Teilchen erhalten ist gibt's keine zusätzlichen Teilchen aus dem Nichtsdes Gen auch keine Weg ins Nichts also steht der nulldas hier kann man machen mit Tennisbällenwenngleich Zahl der Teilchenbei Tennisbällengilt hoffentlich in Erhaltungssatzfür die Zahl der Teilchenfür die Ladung ist das viel besserwenn ich hier nicht Teilchenzähnesondern Cologne zählen wie viel Ladung habe ich in einem Volumen die Verladung geht aus dem Volumen rausdas wird funktionierenundwas jetzt am spannendsten ist es wird für die relativistischEnergiefunktionierenwie viel Energie ist in einem Volumen trennenund fließt rausund rein und es wird zum Beispielfür die X Komponentedes relativistischImpulses gelten auch für die Epson DZ Komponentewie viel Impuls fließt rein und rausaus einem Volumenund wie vieles drinnendafür wird es Kontinuitätsgleichunggeben von dieser Sortedamit das J natürlich nicht mein Teilchen pro Quadratmeterund Sekunde gemessen sondern in Colognepro Quadratmeter und Sekunde oder bei der Energie in Joule pro Quadratmeter und Sekundedie sie hier die Korsetts genauer an und das wird der Energie-Impuls-Tensordie Energieund die Ex Komponente des Impulses und Y Komponente des Impulses und die Z Komponente des Impulses die müssen jeweilseine Kontinuitätsgleichungerfüllendie engen aber auch ?? und einander zusammen Energieexkomponente?? company Z Komponentesind der Bestandteil eines Vierervektoralso muss es zum Schluss so etwas geben einen Tensorzweiter Stufein dem Alters kombiniertist und der Kontinuitätsgleichungwird dann seinich leite nach der Mythenkomponenteab vier steht die nette Komponentedes kommt null rausfür Müll gleich Null habe ich die Energieerhaltungfür mir gleich eins habe ich die Erhaltung der Ex Komponente des Impulsesund so weiterdass sie unten auch wieder kurz gefasstC MenüKomma genügt es gleich nullwas steht jetzt in diesem Tensor namens groß Tetwas genauer drindie Zeile mit der Nummer eins die kümmert sich um die X Komponente des Impulsesdann muss das hier hintendie Flussdichteder X Komponente des Impulses seinhier vorne stand jetzt sehe mal die Dichtealso C mal die Dichte des Impulsesanalog für Y und Zim Viererimpulssteht oben ja nicht die Energie sondern die Energie durch die Lichtgeschwindigkeitdas heißt dieses hier muss die Flussdichtevon Energie durch C sein?? vorne muss widerstehen C mal eine Dichteund zwar die Dichte von E durch Cverkürzt sich netterweise das C Weglinks obensteht also die Energiedichteohne weitere Faktorender Lichtgeschwindigkeitdas sieht alles eherunanschaulichund unhandlich ausnoch eine Anmerkung zu der Kontinuitätsgleichungsteht auf der rechten Seite der Kontinuitätsgleichungwas aus dem Nichts dazu kommt oder was ins Nichts weggehtohne durch eine Wand zu gehenund sich den Energie-Impuls-Tensoranguckt steht hier dann auf der rechten Seitedie Dichte einer externen Kraftnicht durch die Wände kommtsondern ?? auf das Volumen wirktdie darf es natürlich nicht gebenes darf Kraft nur durch die Wände vermittelt werden die Dach nicht aus dem Nichts plötzlich erscheinendie heißt gerne F Mühl diese Kraftdichtediese sechzehn Komponenten vom Energie-Impuls-Tensorsind doch etwas unhandlichoder schwer vorzustellendeshalb mal am Beispielwas passiert für ein ideales Gaswenn ich dieses Gas quasi einfrierenbeim absoluten Nullpunkt betrachtet nichts bewegt sich jedes Teilchen sitzt irgendwoim Raum an seiner Positionund ich gucke mir das im Ruhesysteman alle Teilchen ruhenin dem System in dem ich rechne dann ist das einfachdann wird der Energie-Impuls-Tensorganz viele Nullen haben alles was mit Geschwindigkeitund Impuls zu tun hat ist nullund transportiertwird hier auch nicht das einzig spannendeist links obendie Energiedichteund der glich aber von der Massendichte ausMalcequadratmit Energiedichte sein das ist allesder nächste Schrittwas passiert wenn alle diese Teilchenin dieselbe Richtung fliegen mit derselben Geschwindigkeitfliegenalle mit einer festen GeschwindigkeitVkleines D Trick ich arbeite einfach mit einem Lorenz Brust mit minus Vich nehme diese Situationvor allem Ruhmund transformieren ein System das sich mit geschwindigkeitsvektorminusV relativ zu diesem bewegt dann habe ich diese Situationeinen Lorenz bewusst mit minus V das heißt die Lorenz Matrixistoben steht Lorenz Faktorzu diesem Geschwindigkeitsvektorund hier uns Faktor mal transponiertmich weniger Zweck zu durch Zählungsfaktormal Geschwindigkeitsvektordurch C und hier unten rechts dreimal dreietwas fürchterliches das man gar nicht wissen netterweise eine ganz viele Nullen habenund nun transformierte ich diesen Tensormithilfe dieser MatrixErgebnis ist wenig überraschendoben links steht Gamma Quadratmal dichte mal Lichtgeschwindigkeitins Quadrathier unten wird stehendas Quadrat vom Lorenzfaktormal VO maldichte mal Lichtgeschwindigkeit?? oben steht das transponiertQuadrat verloren Faktor V transponiertdichtenicht Geschwindigkeitund auf diesen dreimal dreiFeldern stehtuns Faktor Quadratdas Tensorproduktdes Geschwindigkeitsvektormit sich selbst mal die Dichtedas ist natürlich immer noch kein Gas bei irgendeiner ernsthaften Temperaturich brauche einen Mix an Geschwindigkeitenich nehme mir also diesenEnergie-Impuls-Tensorund überlagerte davon ganz viele Kopienfür die Geschwindigkeitsvektorendie ich habedas macht alsodie oben eine Summe von Gamma Quadratdie jeweilige DichteMalcequadrathier eine Summe hier und hier natürlich genausound nun kommt ein Kniff das hier möchte ich machen sodass makroskopischdie Geschwindigkeitnull ist die mittlere Geschwindigkeitsoll Null sein von allen diesen Geschwindigkeitendas Gas soll sozusagenruhenwas soll das heißen ?? der mittlere Geschwindigkeitsvektorsoll Null seinentsteht hierder Nullvektorund hier obensteht der Nullvektor transponiertund dieses Tensorprodukt von V mit sich selbst muss man sich nur bisschen anguckendas ist ja die MatrixV eins Quadrat V eins V zwei V einsV dreiV zwei V einsvor zwei Quadrat V zwei V dreiV dreiV einsV dreiV zwei V drei Quadratwenn ich sage dassBewegung in X Richtung und die in Y Richtung nichts miteinander zu tun haben sollendann kann ich hier die Mittelwerte einzelnen bildendas wir deshalb weg fliegen das wird und das wird und dass wir das und das wird alles null werdenes bleiben nur drei auf der Diagonalenund die soll natürlich gleich sein dieses Gas sollan dieser Trooper Mix von Geschwindigkeitensein die sollen gleich sein wenn ich die Mitteles vielleicht überraschend das auf der Diagonalen tatsächlich noch was stehen bleibtund könnte erst meinen dass sich alles in alle Richtungen schon irgendwie Wegmitteln wirdüberraschenderweisenicht auf der Diagonalen bleibenWerte stehendas kann man so sehen wenn durch diese Flächesenkrecht zur Exrichtung ein Teilchen von links nach rechts durchgehtdann ist J eins größer NullImpuls links wird kleiner Tempus rechts wird größeres wird Impuls von links nach rechts transportiertwenn ein Teilchen rückwärts dadurch gehtgibt das nicht das erste Teilchen aufganz im Gegenteiles wird ?? jetzt negativerImpulsvon rechts entferntund negative Impulslinksdazu gegebennegativen Impuls dazu geben heißtlinks wird der Impuls kleiner werden auch im unteren Fallist J eins größer als null die heben sich nicht gegenseitig aufdas ist der Effektdass sie auf der Diagonalenalso noch Therme stehen bleibenfür ein Gas in seinem makroskopischenRuhsystem weiß ich alsoda steht nur null da steht nur da und da und nach und da auch noch hier Nullenund auch noch ihr Nullendas einzig spannende findet statt auf der Diagonalendiese drei sind gleichund hier oben gibt's noch eindass sie oben muss ja nach Definitionwieder die Energiedichtesein hier oben steht alsodie Dichte der relativistischen masse Malcequadratwas diese drei hier sind muss man sich Nummer getrennt überlegendieser hierder oberste von den drei grünsagt wie der X Impuls in X Richtung fließtwie viel Impulsgeht in der ZeitspanneT durch die FlächeL Quadrat durch das SystemPulsänderungund sie ist eher Quadrat mal C malT eins einsplus eine T steht jetzt für die Zeitspanne und das andere Tee für den Energie-Impuls-Tensordieses die Komponente einer Flussdichtemal die Fläche des Fensters mal die Zeitgibt die Filter durchfließteine Impulsänderungeine Impulsänderungpro Zeitist aber eine KraftL Quadrat mal T eins eins muss also eine Kraft seinwill sagen T eins eins ist eine Kraft pro FlächeT eins eins istder Druckhier steht also der Druckso sieht der Energie-Impuls-Tensorfür ein ideales Gas aus in dessen makroskopischenRuhesystemund der seine relativ einfach zu transformierenwenn man in ein anderes System gehen willwas man hier schon sieht ist das der Energie-Impuls-Tensorsymmetrischesoberhalb der Diagonalen und unterhalb der Diagonalen steht dasselbe in diesem Fall lauter Nullen besonders einfach aber das gilt allgemeinerst mal rein anschaulich warum musste Energie-Impuls-TensorsymmetrischseinKomma diese beiden Einträge ahnen warum die gleich sein müssender Orange hier gibt die DichtedesX Impulses an wie vielvon diesen Impulshabe ich pro Volumender blaue ist die X Flussdichteder Energiewie für Energie fließtin X Richtungdas wäre ja höchst überraschend wenn die beiden nichts miteinander zu tun habendas einfachste ist das ein einzelnes Teilchen nachzurechnen dass die wirklich übereinstimmennatürliches ?? mit den richtigen Faktoren C dazu gedichtetbei den räumlichen Komponenten ist das nicht ganz so offensichtlichwarum die symmetrisch sein müssendiese grüne Komponente hier ist von dem Y Impulsdie FlussdichteNZ Richtungwie viel Y Impuls fließt in Z Richtungkönnte man sich so veranschaulichenY Impuls fließt in Z Richtungunten wird es weniger Y Impuls oben wird es mehr Y Impulsdas violetteist der Flussfondssetzt ImpulsinY RichtungZ Impuls fließen Y Richtung also in positiverRichtung habe ich mehr Z Impulsin negativeAchsenrichtunghabe ich wenigerZ Impulsso kann man sich das vorstellendas führt offensichtlich zu einem Drehmomentsdieser violette Eintrag erzeugt so ein Drehmomentund der grüne Eintragerzeugtso ein Drehmomentwenn diese beiden Drehmomente sich nicht aufheben wenn diese beiden Einträge nicht gleich sind entsteht hier ein Drehmoment aus dem Nichts das ist keine gute Ideezu Komma sich anschaulichvorstellenwarum der Energie-Impuls-Tensorsymmetrisch sein muss ?? das ist natürlich ziemlichHände währendich für das jetzt mal rechnerisch vorerst bei der Viererimpulseines ausgeschnittenStücks Materieden kriege ichin dem dich auf Zoom ihreüber die Dichte des Impulsesdie Dichte des Impulsessteht aber im Energie-Impuls-TensorT alphanullan der jeweiligen Stelle X und das stimmt nicht ganz eins durch die Lichtgeschwindigkeitmuss noch davorso kriege ich den Gesamtimpulsein StückchenMaterieschreibt das ein bisschen hübscher Komma das ist eine Menge namens groß Vdann integriere ich hier über diese Menge groß V das ist mein Materieklumpenund X nulldie Zeit dass ich festanalog dazu der Drehimpulswieder ein ausgedehntes Stückchen Materieirgendwo ist der Ursprungirgendwo gibt's einen Ortsvektorzu meinemStückchen Materie hin undeinen Impulsvektorder Drehimpulsist ja nun ein Tensorzweiter Stufeanaloge Rechnung einst durch Ce dreifaches integral über das Volumen von diesem KlumpenD drei X hintenund hier drinnen stehtOrt mal Impulsminus vertauschte RollenOrtsvektorX Alpha mal Impulsteeanalog zu dem hier Beta null dann abhängig von X zu eng minusmit vertauschten Rollen Xbetter HT alpha nullund wieder X null Fest lassen so bestimme ich den Drehimpulsdieses Klumpenfür den normalenlinearen Impuls habe die Kontinuitätsgleichungdas klappt ja mit dem Energie-Impuls-Tensorich nehme T Alpha Beta abgeleitetnach Wetter der Summe hier drinund kriege die externe Kraftdichte raus und die ist gefälligstnull sonst entsteht Impulsund Energie aus dem nicht oder verschwindet ins Nichtsso eine Angleichung will ich jetzt auch für den Drehimpulshabenman sieht was denn jetzt die Rolle von diesem Tee spielen musshier dieses innen drin muss ich so verallgemeinerndass hier die Variante mit null stehtaber die Variante mit nullein Tensor dritter Stufe Alpha Beta GammaGrundannahme der X Alpha TE Beta Gammaminusmit vertauschten Rollen X better C Alphagammaich nun eine Kontinuitätsgleichunghinwie sieht das aus ähm Alpha Beta Gamma abgeleitetnach Kammer und summiert analog zu demwird das null oder nichtdas Komma jetzt zu Fuß ausrechnenhier steht ein Produkt ich hatte den ersten abEx Alpha abgeleitet nach Kammermalt die Beta Gammaplus den Stehen lassen den zweiten ableiten X alphaC Beta Gamma abgeleitet nach Kommadass wir behinderten den ersten ableitendenminusXWetter abgeleitet nach Kammerteedazu stehen Alphakammerundden Hintern ableiten X better TAlpha gamma Komma Gammaliniekennen wir schon C Beta Gamma Komma gammadas ist die äußere Kraftdichtewenn es denn eine gibt es nicht geben sollteund hier unten dasselbeF Alphadie KoordinateNummer Alphapartiell ableiten nach der Koordinate Nummer Gammamindeste Silbe ist X ?? X arbeiten kommt eins raus wenn es was anderes ist X ?? kommt nur raus hier steht also nichts anderes als Kronecker-DeltaAlpha gamma und hier steht deshalb genausoKronecker-DeltaBeta Gammavon dem bleibtdas Delta pickt das Gamma rausdas gleich Alpha ist hiervon bleibt also nur TE BetaAlphavon dem hierbleibtX alphaF betterhier liegt das Deltadas Kammer raus was gleich Beta ist also Städter nur noch AlphaBetaminus T Alpha Beta und hier haben wir minusXbetterF alphafein das hier hinten ist das Drehmomentwas durch die äußere Kraftdichte erzeugt würdedie soll sowieso nur sein diese Kraftdichteegaldas hier ist höchst ärgerlichwenn der Energie-Impuls-Tensornicht symmetrisch ist steht hier nicht nullund ich habe ein Drehmoment aus dem Nichtsdas ist keine gute Ideedas muss Null seindas ist der rechnerische Grund warum der Energie-Impuls-Tensorsymmetrisch sein musssonst wird Drehimpulsaus dem Nichts erzeugt oder geht es nicht Zweck