Биметрические теории гравитации

Биметрические теория гравитации — альтернативные теории гравитации, в которых вместо одного метрического тензора используются два или более. Часто вторая метрика вводится только при высоких энергиях, в предположении, что скорость света может иметь зависимость от энергии. Наиболее известными примерами биметрических теорий являются теория Розена и релятивистская теория гравитации (последняя — в канонической трактовке).

Биметрическая теория Розена

В общей теории относительности предполагается, что расстояние между двумя точками в пространстве-времени определяется метрическим тензором. Уравнения Эйнштейна используются затем для расчета формы метрики на основании распределения энергии.

Натан Розен (1940) предложил в каждой точке пространства-времени ввести в дополнение к риманову метрическому тензору <math>g_{ij}</math> евклидов метрический тензор <math>\gamma_{ij}</math> . Таким образом, в каждой точке пространства-времени мы получаем две метрики:

<math> ds^{2}=g_{ij}dx^{i}dx^{j}</math>

<math> d\sigma^{2}=\gamma_{ij} dx^{i} dx^{j}</math>

Первый метрический тензор <math>g_{ij}</math> описывает геометрию пространства-времени и, таким образом, гравитационное поле. Второй метрический тензор <math>\gamma_{ij}</math> относится к плоскому пространству-времени и описывает инерционные силы. Символы Кристоффеля, сформированные из <math>g_{ij}</math> и <math>\gamma_{ij}</math>, обозначим <math>\{^{i}_{jk}\}</math> и <math>\Gamma^{i}_{jk}</math> соответственно. <math>\Delta</math> определим таким образом, чтобы

<math>

\Delta^{i}_{jk}=\{^{i}_{jk}\}-\Gamma^{i}_{jk}~~~~~~~~~~~~~~(1) </math>

Теперь возникают два вида ковариантного дифференцирования: <math>g</math>-дифференцирование, основанное на <math>g_{ij}</math> — обозначается точкой с запятой (;), и 3-дифференцирование на основе <math>\gamma_{ij}</math> — обозначается символом / (обычные частные производные обозначаются запятой (,)). <math>R^{\lambda}_{ij \sigma}</math> и <math>P^{\lambda}_{ij \sigma}</math> будут тензорами кривизны, рассчитываемыми из <math>g_{ij}</math> и <math>\gamma_{ij}</math> соответственно. На основе вышеизложенного подхода, в том случае, когда <math>\gamma_{ij}</math> описывает плоскую пространственно-временную метрику, тензор кривизны <math>P^{\lambda}_{ij \sigma}</math> равен нулю.

Из (1) следует, что хотя <math>\{^{i}_{jk}\}</math> и <math>\Gamma</math> не являются тензорами, но <math>\Delta</math> — тензор, имеющий такую же форму, как <math>\{^{i}_{jk}\}</math>, за исключением того, что обычная частная производная заменяется 3-ковариантной производной. Простой расчет приводит к

<math>

R^{h}_{ijk}=-\Delta^{h}_{ij/k}+\Delta^{h}_{ik/j}+\Delta^{h}_{mj}\Delta^{m}_{ik}-\Delta^{h}_{mk}\Delta^{m}_{ij} </math>

Каждый член в правой стороне этого соотношения является тензором. Видно, что от общей теории относительности, можно перейти к новой теории, заменив <math>\{^{i}_{jk}\}</math> на <math>\Delta</math>, обычное дифференцирование на 3-ковариантное дифференцирование, <math>\sqrt {-g}</math> на <math>\sqrt{\frac{g}{\gamma}}</math>, элемент интегрирования <math>d^{4}x</math> на <math>\sqrt {-\gamma}d^{4}x</math>, где <math>g = det(g_{ij})</math>, <math>\gamma = det(\gamma_{ij})</math> и <math>d^{4}x = dx^{1}dx^{2}dx^{3}dx^{4}</math>. Необходимо отметить, что, как только мы ввели <math>\gamma_{ij}</math> в теорию, то в нашем распоряжении оказывается большое число новых тензоров и скаляров. Таким образом, можно получить уравнения поля, отличающиеся от уравнений поля Эйнштейна.

Уравнение для геодезической в биметрической теории относительности (БТО) принимает форму

<math>

\frac{d^2x}{ds^2}+\Gamma^{i}_{jk}\frac{dx^{j}}{ds}\frac{dx^{k}}{ds}+\Delta^{i}_{jk}\frac{dx^{j}}{ds}\frac{dx^{k}}{ds}=0~~~~~~~~~~~~~~(2) </math>

Из уравнений (1) и (2) видно, что можно считать, что <math>\Gamma</math> описывает инерциальное поле, поскольку <math>\Gamma</math> исчезает при помощи подходящего преобразования координат. Свойство же <math>\Delta</math> быть тензором не зависит от каких-либо систем координат, и, следовательно, можно полагать, что <math>\Delta</math> описывает постоянное гравитационное поле.

Розеном (1973) были найдены биметрические теории, удовлетворяющие принципу эквивалентности. В 1966 г. Розен показал, что введение плоской пространственной метрики в рамках общей теории относительности не только позволяет получить плотность энергии-импульса тензора гравитационного поля, но также позволяет получить этот тензор из вариационного принципа. Уравнение поля в БТО, полученное из вариационного принципа

<math>

K^{i}_{j}= N^{i}_{j}-\frac{1}{2}\delta^{i}_{j}N = -8 \pi \kappa T^{i}_{j}~~~~~~~~~~~~~~(3) </math>

где

<math>

N^{i}_{j}=\frac{1}{2}\gamma^{\alpha \beta}(g^{hi} g_{hj /\alpha})_{/ \beta} </math>

или

<math>

N^{i}_{j}= \gamma^{\alpha \beta}\left\{(g^{hi}g_{hj, \alpha}),\beta - (g^{hi}g_{mj}\Gamma^{m}_{h\alpha}),\beta\right\} - \gamma^{\alpha \beta}(\Gamma^{i}_{j\alpha}),\beta + \Gamma^{i}_{\lambda \beta}[g^{h\lambda}g_{hj},\alpha - g^{h\lambda}g_{mj}\Gamma^{m}_{h\alpha} - \Gamma^{\lambda}_{j\alpha}]-\Gamma^{\lambda}_{j\beta}[g^{hi}g_{h\lambda},\alpha - g^{hi}g_{m\lambda}\Gamma^{m}_{h\alpha} -\Gamma^{i}_{\lambda\alpha}] </math>

<math>

+ \Gamma^{\lambda}_{\alpha \beta}[g^{hi}g_{hj},\lambda - g^{hi}g_{mj}\Gamma^{m}_{h\lambda} -\Gamma^{i}_{j\lambda}] </math>

<math>

N= g^{ij}N_{ij}, \kappa=\sqrt{\frac{g}{\gamma}}, </math>

и <math>T^{i}_{j}</math> — тензор энергии-импульса. Вариационный принцип приводит также к связи

<math>

T^{i}_{j;i}=0. </math>

Поэтому из (3)

<math>

K^{i}_{j;i}=0, </math>

что подразумевает, что пробная частица в гравитационном поле движется по геодезической по отношению к <math>g_{ij}</math>. Физические следствия такой теории, впрочем, не отличаются от общей теории относительности.

При ином выборе исходных уравнений биметрические теории и ОТО различаются в следующих случаях:

• Распространение электромагнитных волн
• Внешнее поле звезд высокой плотности
• Распространение интенсивных гравитационных волн через сильное статическое гравитационное поле

Ссылки

• N. Rosen (1940). «[prola.aps.org/abstract/PR/v57/i2/p147_1 General Relativity and Flat Space. I]». Phys. Rev. 57 (2): 147-150. DOI:10.1103/PhysRev.57.147.
• N. Rosen (1940). «[prola.aps.org/abstract/PR/v57/i2/p150_1 General Relativity and Flat Space. II]». Phys. Rev. 57 (2): 150-153. DOI:10.1103/PhysRev.57.150.
• N. Rosen (1973). «[www.springerlink.com/content/x8300w7x2853k455/ A bi-metric theory of gravitation]». General Relativity and Gravitation 4 (6): 435-447. DOI:10.1007/BF01215403.
• N. Rosen (1975). «[www.springerlink.com/content/l778634236421720/ A bi-metric theory of gravitation. II]». General Relativity and Gravitation 6 (3): 259-268. DOI:10.1007/BF00751570.

Теории гравитации

Стандартные теории гравитации	Альтернативные теории гравитации	Квантовые теории гравитации	Единые теории поля
Классическая физика Теория тяготения Ньютона Релятивистская физика Общая теория относительности - Математическая формулировка общей теории относительности - Гамильтонова формулировка общей теории относительности Принципы Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции Принцип Маха Геометродинамика (англ.)	Классические Теория гравитации Лесажа Модифицированная ньютоновская динамика Релятивистские Релятивистская теория гравитации Калибровочная теория гравитации Гравитация с массивным гравитоном Телепараллелизм Теория Нордстрёма Теория Бранса — Дикке Биметрические теории гравитации Несимметричные теории гравитации Теория гравитации Уайтхеда Теория Эйнштейна — Картана Тетрадная теория гравитации	Каноническая квантовая гравитация Петлевая квантовая гравитация Полуклассическая гравитация (англ.) Причинная динамическая триангуляция (англ.) Евклидова квантовая гравитация Уравнение Уилера — Девитта (англ.) Индуцированная гравитация (англ.) Некоммутативная геометрия (англ.)	Многомерные Общая теория относительности в многомерном пространстве Теория Калуцы — Клейна Супергравитация Струнные Теория струн Теория бозонных струн Теория суперструн М-теория Прочие Исключительно простая теория всего

Отрывок, характеризующий Биметрические теории гравитации

Багратион оглянул свою свиту своими большими, ничего невыражающими, невыспавшимися глазами, и невольно замиравшее от волнения и надежды детское лицо Ростова первое бросилось ему в глаза. Он послал его.
– А ежели я встречу его величество прежде, чем главнокомандующего, ваше сиятельство? – сказал Ростов, держа руку у козырька.
– Можете передать его величеству, – поспешно перебивая Багратиона, сказал Долгоруков.
Сменившись из цепи, Ростов успел соснуть несколько часов перед утром и чувствовал себя веселым, смелым, решительным, с тою упругостью движений, уверенностью в свое счастие и в том расположении духа, в котором всё кажется легко, весело и возможно.
Все желания его исполнялись в это утро; давалось генеральное сражение, он участвовал в нем; мало того, он был ординарцем при храбрейшем генерале; мало того, он ехал с поручением к Кутузову, а может быть, и к самому государю. Утро было ясное, лошадь под ним была добрая. На душе его было радостно и счастливо. Получив приказание, он пустил лошадь и поскакал вдоль по линии. Сначала он ехал по линии Багратионовых войск, еще не вступавших в дело и стоявших неподвижно; потом он въехал в пространство, занимаемое кавалерией Уварова и здесь заметил уже передвижения и признаки приготовлений к делу; проехав кавалерию Уварова, он уже ясно услыхал звуки пушечной и орудийной стрельбы впереди себя. Стрельба всё усиливалась.
В свежем, утреннем воздухе раздавались уже, не как прежде в неравные промежутки, по два, по три выстрела и потом один или два орудийных выстрела, а по скатам гор, впереди Працена, слышались перекаты ружейной пальбы, перебиваемой такими частыми выстрелами из орудий, что иногда несколько пушечных выстрелов уже не отделялись друг от друга, а сливались в один общий гул.
Видно было, как по скатам дымки ружей как будто бегали, догоняя друг друга, и как дымы орудий клубились, расплывались и сливались одни с другими. Видны были, по блеску штыков между дымом, двигавшиеся массы пехоты и узкие полосы артиллерии с зелеными ящиками.
Ростов на пригорке остановил на минуту лошадь, чтобы рассмотреть то, что делалось; но как он ни напрягал внимание, он ничего не мог ни понять, ни разобрать из того, что делалось: двигались там в дыму какие то люди, двигались и спереди и сзади какие то холсты войск; но зачем? кто? куда? нельзя было понять. Вид этот и звуки эти не только не возбуждали в нем какого нибудь унылого или робкого чувства, но, напротив, придавали ему энергии и решительности.
«Ну, еще, еще наддай!» – обращался он мысленно к этим звукам и опять пускался скакать по линии, всё дальше и дальше проникая в область войск, уже вступивших в дело.
«Уж как это там будет, не знаю, а всё будет хорошо!» думал Ростов.
Проехав какие то австрийские войска, Ростов заметил, что следующая за тем часть линии (это была гвардия) уже вступила в дело.
«Тем лучше! посмотрю вблизи», подумал он.
Он поехал почти по передней линии. Несколько всадников скакали по направлению к нему. Это были наши лейб уланы, которые расстроенными рядами возвращались из атаки. Ростов миновал их, заметил невольно одного из них в крови и поскакал дальше.
«Мне до этого дела нет!» подумал он. Не успел он проехать нескольких сот шагов после этого, как влево от него, наперерез ему, показалась на всем протяжении поля огромная масса кавалеристов на вороных лошадях, в белых блестящих мундирах, которые рысью шли прямо на него. Ростов пустил лошадь во весь скок, для того чтоб уехать с дороги от этих кавалеристов, и он бы уехал от них, ежели бы они шли всё тем же аллюром, но они всё прибавляли хода, так что некоторые лошади уже скакали. Ростову всё слышнее и слышнее становился их топот и бряцание их оружия и виднее становились их лошади, фигуры и даже лица. Это были наши кавалергарды, шедшие в атаку на французскую кавалерию, подвигавшуюся им навстречу.
Кавалергарды скакали, но еще удерживая лошадей. Ростов уже видел их лица и услышал команду: «марш, марш!» произнесенную офицером, выпустившим во весь мах свою кровную лошадь. Ростов, опасаясь быть раздавленным или завлеченным в атаку на французов, скакал вдоль фронта, что было мочи у его лошади, и всё таки не успел миновать их.
Крайний кавалергард, огромный ростом рябой мужчина, злобно нахмурился, увидав перед собой Ростова, с которым он неминуемо должен был столкнуться. Этот кавалергард непременно сбил бы с ног Ростова с его Бедуином (Ростов сам себе казался таким маленьким и слабеньким в сравнении с этими громадными людьми и лошадьми), ежели бы он не догадался взмахнуть нагайкой в глаза кавалергардовой лошади. Вороная, тяжелая, пятивершковая лошадь шарахнулась, приложив уши; но рябой кавалергард всадил ей с размаху в бока огромные шпоры, и лошадь, взмахнув хвостом и вытянув шею, понеслась еще быстрее. Едва кавалергарды миновали Ростова, как он услыхал их крик: «Ура!» и оглянувшись увидал, что передние ряды их смешивались с чужими, вероятно французскими, кавалеристами в красных эполетах. Дальше нельзя было ничего видеть, потому что тотчас же после этого откуда то стали стрелять пушки, и всё застлалось дымом.
В ту минуту как кавалергарды, миновав его, скрылись в дыму, Ростов колебался, скакать ли ему за ними или ехать туда, куда ему нужно было. Это была та блестящая атака кавалергардов, которой удивлялись сами французы. Ростову страшно было слышать потом, что из всей этой массы огромных красавцев людей, из всех этих блестящих, на тысячных лошадях, богачей юношей, офицеров и юнкеров, проскакавших мимо его, после атаки осталось только осьмнадцать человек.