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Symmetrien des Krümmungstensors


CC-BY-NC-SA 3.0

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der Krümmungstensormit seinen vier Indiceseiner oben drei unten typischerweisehat ja massiv viele Komponentenin der allgemeinen Relativitätstheorievier mal vier mal vier mal vier hundert sechsten fünfzig Komponentendas glücklicherweise nicht alles zahlen die unabhängig voneinander sind ganz viele von diesen Komponentenund diesen Zahlen dann sind nullund die anderen hängen größtenteils miteinander zusammeneine ganz einfache Eigenschaft ist das sehr Krümmungstensorantisymmetrischin den beiden hinteren Indices ist nicht die beiden vertauschekriege ich minusdas ursprüngliche Ergebnis rausals hier hinten vertauschenmacht mir ein Minusdas ist die Antisymmetriehinten Komma das so nennen willdas Komma direkt aus der Formel für den Krümmungstensor ablesenaber besser ist natürlich zu verstehen warum so sein muss?? ich nehme ein quasi Parallelogrammauf meiner Mannigfaltigkeitauf einmal so rum auf einmal so rumtransportiere einen Vektor mit einmal sound einmal so herumund der Krümmungstensorgibt mir dann diese Differenzauf die ich erstin die Richtungvon dem ?? Index dann in die Richtung von dem Lander Index minus umgekehrtdie auf der Seite mache ich es eben umgekehrtbedenklich genau den umgekehrten Weg doch kein Wundereine Nummer raffinierter ist die erste Bianchi Identitätdie Idee zu dem Diagramm was gleichkommthabe ich von Jan Olivier?? hat eine Arbeit geschrieben denen sich wohl schon mittags schon zu RumänienCorvette schosser in zahmendiskreten ?? Sessionsdie Idee ist folgende ich nehme mir Basisvektorenwie Landerein gewisses kleines Vielfaches davonBasisvektordie Mühe ein kleines Vielfacheskam mal davon ?? und den BasisvektorEmil und davon ein kleines Vielfaches eljetzt transportiere ich diesen Vektorparallel zueinanderentlangvon Kamal in Vinyllande ich hier so parallel transportiertdas es weitgehend dasselbe als wenn ich diesen KI Menü nehme und parallel an Hammerlandda hier hochtransportiereKomplikationsfreiheitrein entsprechen kann ich hier unten kam mal Vinylentlang von ehemaligen Ü transportierenwas ist weitgehend dasselbe als wenn ich hier ehemalige Mühe entlang von Kamal in Ü transportierendie treffen sich hier auch ziemlich genau wegen der Torsionsfreiheitund ihr vorne kann nicht einmal die Müheentlang von Hammermenütransportierenoder umgekehrtjetzt transportiere ich weiterdiesenentlangdieser hinteren Kanteund diesen unteren entlang dieser kanntediesen entlang dieser Kanteoder eben den unteren hier entlang der Kante und die oben auch nochdiesen entlang der Kanteoder den entlang dieser Kanteund jetzt taucht hier netterweise gleich dreimalder KrümmungstensoraufKomma dass das Stückchen hier andas ist Hammer die Lamm daeinmal um Menüdann um Menü transportiertminusandersherumdas rote Stückchen muss also was sein wie der Krümmungstensoralles mit irgendeinem Index obenich transportiere Haarmann ?? LanderarMallandererst in Richtung Karmaliniedann in Richtung Lander im Mühlen und dann umgekehrterst in Richtung kam maldie Müheund dann in RichtungL mal die Mühedas istdieser Rektordieser Vektorhier wird einmal im Öltransportierteinmal oben rum einmal hintenrumElmarirgendein Indexmühlich transportiereerst in Richtung Hammadilanderdann in Richtung Kamal in Öl minus umgekehrterst in Richtung Haarmannlanderund dann in Richtung Karmaihn müdeund der letzte im Bunde das ist dieser hierhier wird Kamal in Amal unten rechtshoch transportiertund einmal links hoch und oben nach rechtsalso KrümmungstensorKarmaliniemit transportiertKarmaleimühlmussteErstindex und seinich transportiere erst in Richtung ehemalige Mühle und dann in Richtung Haarmannlanderaneinandererst in Richtung Elbe mal eben müdeund dann in Richtung Harmaglanderminusdas umgekehrteund nun sieht man das muss zusammenNull ergebenüberall steht Hacker LH KL davordaraus lerne ich eine Symmetriedes KrümmungstensorLander MenüStandardmenüan der Menürechte Indices und zyklisch durchtauscheund das Addierenmuss nur rauskommendas ist die erste blanke Identitätalso wenn ich Bilder er das gibt dem andern oben AlphalanderMüll Mühl plus Herr oben Alphamühlmühllanderplus erhoben AlphamühllanderMühekriege ich null rausund hier wird schlicht und ergreifendzyklischvertauschtan der Menümühlsteinsvor ?? rutscht als vor Lander kommt von vornhereinmehr als voreins vor Lander kommt von vorne rein und noch ein zweiter vertauschtnie Rückstands vor Lander Rückstands vormir kommt von vornhereindie erste Janke Identitätdas könnte man natürlich auch wieder ganz langweilig nachrechnen mit der Formel für den Krümmungstensoraber dann hat man nicht allzu viel verstandenin Sun erste Bianchi Identität gibt gibt es natürlich auch eine zweite Bianchi Identitätist eine Nummer komplizierteraber nicht so vieldas Diagramm was ich jetzt mal ist schon wieder inspiriertdurch Jan Olivierich nehme wieder drei Basisvektorenjetzt aber mit anderen Indices haben mal die Mühekam mal die Müheund ElmarEOdenke ich mir hier einen Würfelmüsste man sich alles genau überlegen wie denn dieser Würfel zu bauen wäre aber vom Prinzip der denke mir einen Würfel und mache ein Paralleltransportauf sehr komischen wegen um den Würfel so sieht das dann nach ?? aus ich gehe hier diese untere Würfelkantenach rechtsdann nach hintendann rauf dann wieder nach vorne dann runter dann wieder nach linksdie auf der linken Würfelseitemache ich das ähnlich ?? ich gehe raufich gehe nach hinten ich gehe nach untenund nach vorneeine geschlossene Kurve um diesen gedachten Würfel herumund wie gesagt es geht mir einzig und parallel Transport ich möchte entlang dieser geschlossenen Kurve hier ein Vektor parallel transportierenvorstelle hier hängt ein Vektor V dranden transportiere ich bis dahinparallelbringe ihn am herumbringen wieder bisschen vorne hin bringen da einmal rum und stand an dem Punkt an dem ich gestartet bindieses ist natürlich ein einziger Punkt und dieses auch ein einziger Punkt sein nur wenn ich's auf ein Punkt mal kann man nichts merkendiese Differenz hier kann ich jetzt mit dem Krümmungstensorangebenich transportieremeinen Vektoreinmal um dieses Rechteckdann durch den Vektor der ?? transportierenKomma Farbe dasteht ja Wetteroben steht irgendein Index übrigbleibt?? ?? Tiere erst in Richtung Kamal in Höhe und dann transportiere ich in Richtung Karmalimmühldas wird die Sorge Vektor werden auf dieser Fläche passiert dasselbe aber ich laufe andersherumdas heißt dieser Vektor andersherumwird werden Hammer K KrümmungstensorV better auf der linken Seite ausgerechnetwas mich jetzt insgesamt interessiert es was passiert wenn ich mit Konvektor einmal um diese gesamte Figur laufealso wie groß ist diese Differenzich kriege auf der rechten Seite diesen Vektordrauf ich kriege auf der linken Seite diesen Weg darunter beides mal das einmal rechts genommen einmal links genommendas gibt den roten Vektor als aus wird der rote Vektor werdendas es mit dieser Vektor minus dieser Vektorich kriege H mal Ker mit irgendeinem Index oben betterMilmenüVWettereinmal rechtsminuseinmal linksalles mit Paralleltransportdas muss eine kovariante Ableitungsein in die Richtung Grosund der Faktor L muss noch dazujetzt ?? versichern dich mit fünf Indices einer oben vier untenein Paralleltransportum diese Figurmuss was zu tun haben mit der kovariante Ableitungdes Krümmungstensor?? in diese Richtungdie die beiden Ebenen verbindetdas natürlich alles überhaupt kein mathematischer Beweis sondern nur eine Idee wo diese Gleichungen denn überhaupt herkommen könntenes nämlich mehrere von diesen Figurenund stelle fest das wieder was mit einer zyklischen Vertauschung gehtich mal noch mal diese Figur hin unten nach rechtsdann nach hintendann nach oben dann nach vornedann nach untenwieder nach links eigentlich exakt über einandernach oben nach hinten nach unten nachvornediese Figur hatmit dieser Ableitung des Krümmungstensorzu tun er mit irgendeinem Index oben Wettermüllmühlnach Rohr geleitetjetzt sehe ich das ganzeund zwar soich gehe nach hintendann nach Rechtschrnach oben dann nach linksnach vornenach rechtsnach hintennach untennach vorneund wieder zurückdas muss jetzt also sinnvollerweisesein etwas was mit dem KrümmungstensorMenürohabgeleitetnach Mühe zu tun hat hier das ist die Mühe Richtungwenn ich diese beiden jetzt sozusagen addiereich bewege mein Vektor erst einmal um diese Figur und dann um diese Figurstell ich fest das ganz viel wegfälltdiese beiden ja ständig mehr über einander voran dieselbe Stelle im Raum gemaltdas heißt wo ich hieraus Komma komme ich hier wieder rein und wo ich hier rein gehekomm ich da raushabe ich wieder angeschlossen Fahrtund von dem Feld ganz viel weghier gehe ich nach rechts nach hinten nach oben nach vornedas ist hier genau umgekehrtrechts hinten oben vornewenn ich diese beiden Pfade miteinander verkehrtetransportiere ich ein Vektor erst einmal so rum und dann wieder zurück das macht keinen Unterschied das FeldwegUrteil fällt weg und dieser Teil fällt wegihr gehe ich nach hinten da gehe ich nach vornedas Feld wegübrig bleibthintendann gehe ich nach obendann gehe ich nach links nach vornedann gehe ich nach rechtsbin ich hier fertig dann gehe ich runternach linksnach obenundlinksnach obennach hintenund wieder runterdas erstaunlicherweiseschon wieder so eine Figur dieser Artvorne eine Umrundung hinten eine Umrundung und die beiden verbundenjetzt aber in Richtung Menühier habe ich etwas was zu tun hat mit Krümmungstensorbetter Mühlproin Richtung Menüabgeleitetist Komma alles noch etwas schöner schreibender Krümmungstensordas wissen wir schon ist in den beiden hinteren Indicesantisymmetrischdas heißt hier steht minuserIndex oben better Homilkovariant abgeleitet in die Richtung nurdiese beiden Indices vertauschtdas macht das Minuszeichenden bring ich jetzt rüber auf die linke Seite und hab wieder irgendwas plus irgendwas plus irgendwas ist gleich null wie bei der ersten Janke Identitätdas ist dann die zweite Bianchi Identitätdieserschreib es Oma wirklich ein Index hin AlphaBetakovariant abgeleiteten Richtung GroslosdieserWettermenüroh kovariant abgeleiteten Richtung Mühe plusder hier rüber gebracht auf die linke Seite erhobenAlphaBetaProMühe Korinth ab Beistrich ?? ist gleichnullauch die kann man mit etwas Mühe tatsächlich nachrechnen über die Formel für den Krümmungstensoraber sie hat einen relativ einleuchtendengeometrischen Grundwobei das hier muss ich gestehen sehr geflohen Gott ist das muss man sich sehr genau überlegen und das auf diese Weise wirklich geometrisch begründen zu können der handfeste Beweis ist wirklich nachzurechnenwie bei der ersten Bianchi Identität wird auch hier zyklisch vertauscht ich hab drei so manchen und jeweils ist das zyklisch vertauscht ?? die letzten drei Indicesdie sind zyklisch vertauschtMüdebüromenürohMühen Höhewo einfach diese drei Indices hier durch schiebenund der davon über ist das müßige vorne über den hinten anstellenist dann das neue vorne über den hintendran stellendas sind die Symmetrien?? wir dann Identitätendie man kriegt wenn der vorderste Index noch oben stehtder nächste Schritt des vorderen Index zu senken und dann noch mehr IdentitätenSymmetrienzu findenich gehe also aus formalen Krümmungstensorunten BetterlanderMühe oben schreib jetzt mal Mühe hin und senke diesen Index durch den metrischen TensorG unten alpha unten müdewas da rauskommt wenn ich dann sinnvollerweisenatürlich eher unten Alpha unten WetterlanderMülljetzt in die sie für Indices gleichberechtigtausund das sind sie in gewisser Weise sogarals erstes kann man sich fragen was denn die geometrische Anschauung hinter diesemObjekt ist der Krümmungstensormit dem gesenkten ersten Indexwas ist folgender Ausdruck der Krümmungstensormit dem gesenkten Indexverziert mit Vektoren ich sage mal U alphafür den Index und V Wetterfür den Indexguck ich mir wieder folgende Figur an ich geheH malin BasisvektorLanderund ich gehe K mal den Basisvektoreben müdewerde damit ein quasi Parallelogrammmein Vektor Vnicht einmal hier vorneherum parallel transportiertund dannnach rechts oben denen ich mal V strichund meinen Vektor ?? nicht mal links herum und oben herumPunkt da das Ergebnis hier nenn ich malO Strichmeine Behauptung ist dieser Ausdruck hier ist nichts anderes als Skalarproduktvon den beiden Vektoren hinten minus das Skalarprodukt von den beiden Vektoren vornedas ?? normal aus O StrichV Strich minus UVdiese Skalarprodukthintendas kann ich aber auch ausrechnen ?? nämlich beide Vektoren weiter transportierevorne hin und dann der Skalarproduktausrechnenbeim Paralleltransportwertedes SkalarprodukterhaltenO Strich und V Strich transportiere ich oben rum nach links unten O Strich wird dann wiederdas ist einfach aber V Strich ändert sich Frau Strich wird wenn ich den weiteren transportierevielleicht ein neuer Vektor denen ich mal fort Beistrichihr vorne habe ich dann also statt Unterstrich V Strich U fort Beistrichalso Skalarprodukt von U mit irgendwas minus Skalarprodukt von und mit irgendwasSkalarproduktist in den Jahr im zweiten Teil und im ersten Teilnicht kriege raus das ist UweSkalarproduktmit der Differenz V zwei Strich minus VV zwei Strich minus Vdiese Differenz kennen wir schon von Krümmungstensordie habe ich also insgesamtdas Skalarproduktvonoben Alphaund hier steht jetzt der Krümmungstensorer AlphaBeta V BetterlanderMühe und verziert mit Haarmarkeralso dieser Ausdruck hat wirklich damit zu tun dass ich diese Skalarprodukthinten minus der Skalarprodukt von Bildermalsozusagen die Flächevon diesem Parallelogrammman kann das ?? weitertreibenwenn ich diesen Differenzvektorbetrachteminus V denen ich mal die Patienten den ich Ihnen mal die StrichO Strich minus V Strich durch die strich ich diesen Differenzvektorbetrachteund davon das Quadrat der Längehabe ich folgendesdas Quadrat der länge von dem vorneminus das Quadrat von der Länge von dem hinten vorgemerktvorne minus hintenkann jetzt mit Kellerprodukten hinschreibenund eine Fußnote gerade noch quadratische Länge in der Relativitätstheoriedarf dieses natürlich null werden für Vektoren die nicht null sind nicht artigund sogar negativ werdenalso Quadratelängeist mit Vorsicht zu genießen als Bezeichnungnichtsdestotrotzdieses Quadrat minus dieses Quadratschreibe ich hin alsdie ist um minus VLängen zwei Grad minus und hinten habe ich natürlich O Strich minus V Strichmenge ins Quadratdas schreibe ich hin mithilfe des Skalarproduktquasi die binomisch Formel dieses hier ist die Länge von U ins Quadratminus zwei Mal SkalarproduktVplus die Länge von V ins Quadratund hier hinten minusdie Länge von O Strichins Quadratminus zwei mal O Strichmal V Strich plusdie Länge von Frau Strich ins Quadratder Paralleltransporterhält Skalarprodukt?? und damit auch Längen das heißt du Strich ins Quadrat ist dasselbe wie uns Quadratund Frau Strich ins Quadrat ist dasselbe wie V ins Quadratgekonnt also rausdas ist zweimalminus minus macht plusO Strich V StrichSkalarproduktminusUVSkalarproduktden Ausdruck hatten wir eben schon maldieser Ausdruck bei dem der Krümmungstensoralle vier Indices unten hat den kann ich mir auch zusammenreimenindem ich Bilderdiesen Abstandins Quadrat vorherminus den Abstand ins Quadrat nachher verziert mit passenden Faktorendamit kann ich jetzt weitere Symmetrienfindeninsbesondere die Antisymmetrievornehinten war das ja schon an die symmetrischenes ist auch vorne antisymmetrischnochmalige Skizze wie ebenHarm Alexanderraufkam mal im MenürechtsV wirdrumtransportiert?? untenrechtszu V strichUwe Trum transportiertlinksobenzu O Strichhabe ich den Differenzvektordie Striche von den DifferenzvektorDund wir haben gerade gesehen zweimal armer KaMalAlpha eher unten Alpha BetalanderMenüVbetterkriege ichbis auf Därme höherer Ordnungin dem ich rechnedie Differenz vorn ins Quadrat minus die Differenz hinten ins Quadrat?? man sieht wieder sehr symmetrisch ist Beistrich denselben Ausdruckdie Länge von den Quadrat mindeste Länge von die Strich ins Quadratwenn ich die Rollen von U und V und gleichzeitig die Rollen von HL Ander und Ka im Mühl vertauschedas muss dasselbe sein wie zweimalHarmarkaV nicht U V alpha er Alpha Betaund jetzt Mühllanderund den State Ubetterist es raffinierte Indices anders zu wählen ich hatte vorne Wetterwetterund hier schreibe ich alphaalpha?? ich weiterhin zu Alpha wieder oben und vor Wetterwieder obenund ich weiß obendrein das was hier steht Millanderwenn ich hinten vertauschedann kriege ich minus er mit der AlphalanderMühlalso was muss gleich sein dieser hier muss gleich dem seinAlphawetterlanderMühemit der Alphalamm damit aber mit ein Minuszeichendie weit überraschendste Symmetrie ist die zwischen hinten und vorneich habe das mein was das heißen soll er Alpha BetalanderMenüist dasselbe wie erund jetzt vertauschte ich vorn und hintenerst die hinteren in die CSdann die vorderen Indicesan der MüheAlphaBetabesser gehe es zu äußerst auf die vorderen Indices ganz andere Rolle haben als die hinteren die hinteren beschreibendie Figur um die ich transportiereund die vorderen beschreibenwas transportiert wirdwohl gleich sehen wir im Endeffekt ist das egalund kann vorsichtig versuchen aufzumachenwas diese Symmetrie dann bedeutetgleich zur Herleitung aber ich versuche das mal auf zu malen was das bedeutetich habe Landerund Mühlund ich habe Alphaund Betajetzt nehme ich eh später einmalentlangbemühenunddas Ergebnisentlang Illanderund ich nehme die Alpha entlang Illanderund das Ergebnis entlang imdas hat mit der linken Seite zu tundiese Skalarprodukt dahinterknienSkalarprodukt der vornedas ist die linke Seiterechte Seite ist das jetzige Lander und imum ihr Alphaund im Wetter transportierenmussich nehme Lander entlang von E alpha das ist dieser hierund transportiere weiternicht der obenich nehme ihm Müheentlang von ?? bettertransportiere weiter entlang von ?? Alphadas wird derdas hat mit der rechten Seite zu tun?? Lander Emilerlangte im Öltransportiertum dieses quasi Parallelogrammund jetzt guck ich mir die Differenzvektorenan sich gibt immer gar keine Richtung ich vergleiche das Quadrat haben denen ich mal D einsauf der Gegenseite hier denen ich mal die zweidenen ich D dreiund den ihr hinten ähnlich D vierund diese Symmetrie sagt nundas meine ich den hier unten Quadrierenminus den da obendas nehme ich was immer direkt auf der rechten Seite steht mit ein paar netten FaktorenRichter selber raus es wenn ich den ihr vorne Quadrierenund den Renten im Quadrat abziehensieht im Endeffekt nicht völlig unplausibel auswenn das hinten weiter aufgeht ?? wird es war doch der oben weiter aufgehenaber das ist natürlich alles andere als ein Beweiseine grafische Idee was hier passiert im Prinzipdiese Symmetrie kann aber relativ leicht algebraischzeigenund das geht so der Krümmungstensorunten Alpha BetalanderMüheden kann ich auch schreiben mit dem ich Alpha und Beta vertauscht und ein Minuszeichen der VorsitzAntisymmetrievornejetzt kommt die erste Bianchi Identitäthier hinten zyklisch vertauschenund addiere kommt null rausnicht hintenzyklisch vertauscheLander MühlAlphaundMühl Alphalanderdieser plus dieser plus dieser kommt ?? raus oder ebenso geschrieben minus dieser ist diese Summe das ist die erste Bank Identitätin Aktioner Betterlander mit Alpha kann ich aber mit den Antisymmetriehinschreibenwenn ich Wetter und Lander vertauschein der ich das Vorzeichenwird durch die beiden hinteren auch noch den in der ich noch mal das Vorzeichenso ist alles wieder in Ordnungdiesen Trick hier mach ich es andersrum noch malhier aus von er unten Alpha Betalanderjetzt vertauschte ich aber die hinteren beiden also minus er Alpha BetaMühllanderdie hinteren beiden vertauscht?? Bitter stehen gelassen macht ein Minusund noch mal die erste Bianchi Identität hier zyklisch durch tauschenmacht also eher unten Alphazweite getauscht mit Landarbeiterund er unten Alphanoch ein zweiter tauschen Landarbeiter mitDieterich zwei Arten wie ich den Krümmungstensorschreiben kann ich keinen einmal so schreiben ich kann ihn einmal so schreibenich benutze beide auf einmalich werde den Mittelwert aus diesen beiden Arten ein halb mal dieses plus dieses ein halb maleher lambda Wetter Alphamühlkloser WettermühlAlphalanderplus dener AlphamillanderWetterer AlphalanderWetter müdeund jetzt guck ich was passiert wenn ich vorn und hinten vertauscheAlpha wird zu Landerlanderwird zu Alphadie beiden vertauschte ich die beiden vertauschte ich die beiden vertauschte ich die beiden vertauschenich vorn und hinten vertausche wird Alpha zu Land und umgekehrt und es wird Wetter zu müdeund umgekehrtspäter wird zu Mühe und umgekehrt später MüheaustauschenWetter austauschen Wetter und mir austauschenwas ändert sich beim austauschenhier sehe ich die vorderenwerden ausgetauscht die hinteren werden ausgetauscht?? zwei Minuszeichender hinten bleibthier derselbe Effekt wenn ich von hinten austausche tausche ich hier die beiden vorderen und die beiden hinteren aus fiktives Minuszeichendieser bleibt hier ist?? noch zwei Terme über nicht vorn und hinten tausche wandert das Landerdahin und das Alpha nach vornedas ist dieses hier das Beta wandert nach hinten des my wandert nach vornedas bitte nach hinten das my wandert nach vornediese beiden verwandelt sich ineinanderwenn ich vorn und hinten austauschedas heißt im Endeffektkommt dasselbe rausder Krümmungstensor mit den Indices Alphawetter landen wir unten ist dasselbe wie der Krümmungstensormit den Indices LambdamühlAlphaBeta untenes gibt eine Symmetrie zwischen den Indices vorne und hintensamt Fassungwerden zwei Arten an Antisymmetrieder Krümmungstensorist in den beiden hinteren Indices antisymmetrischund ?? ist wenn den vorderen Index herunterbringein den beiden vorderen Indicesantisymmetrischalsoda das Lander da das Landerhier das Alpha da das Alphajedes Menü deines mir hier das Wetter da das Wetterich kann nicht sagenüber die ersten beiden in PCs solange der vordere Index nach oben stetig ganze vorne erst was zu Symmetrien sagenwenn die beiden unten sindVorsicht an der Stelledann gibt es eine Symmetriedie zwischen vorn und hinten er Alpha BetaLambdamühlist dasselbe wie er Lander Mühl Alpha Betavornehierzu Hintenentenwird zu vorneund dann gibt es die beiden Bianchi IdentitätenYankee einsund Yankee zweiYankee eins habe ich den Krümmungstensor wieder ist er AlphaBetalanderund tausche die drei Indices unten zyklisch durchund kriege null HausYankee zweihabe ich eine kovariante Ableitungvon dem Krümmungstensorund tausche da die letzten drei zyklisch durchund kriege auch wieder nur raus