Действие Эйнштейна–Гильберта для общей теории относительности было впервые сформулировано исключительно в терминах метрики пространства-времени. Взять метрику и аффинную связь в качестве независимых переменных в принципе действия впервые рассмотрел Палатини . [1] Это называется формулировкой первого порядка, поскольку переменные, по которым нужно варьировать, включают только первые производные в действии и, таким образом, не усложняют уравнения Эйлера–Лагранжа более высокими производными членами. Тетрадическое действие Палатини является еще одной формулировкой первого порядка действия Эйнштейна–Гильберта в терминах другой пары независимых переменных, известных как поля фрейма и спиновая связь . Использование полей фрейма и спиновых связей имеет важное значение в формулировке общековариантного фермионного действия (см. статью спиновая связь для более подробного обсуждения этого), которое связывает фермионы с гравитацией при добавлении к тетрадическому действию Палатини.
Это не только необходимо для связи фермионов с гравитацией и делает тетрадическое действие каким-то образом более фундаментальным для метрической версии, действие Палатини также является ступенькой к более интересным действиям, таким как самодуальное действие Палатини , которое можно рассматривать как лагранжеву основу для формулировки канонической гравитации Аштекара (см. Переменные Аштекара ) или действие Холста , которое является основой версии действительных переменных теории Аштекара. Другим важным действием является действие Плебански (см. запись о модели Барретта–Крейна ), и доказательство того, что оно дает общую теорию относительности при определенных условиях, включает демонстрацию того, что оно сводится к действию Палатини при этих условиях.
Здесь мы представляем определения и подробно вычисляем уравнения Эйнштейна из действия Палатини. Эти вычисления можно легко модифицировать для самодуального действия Палатини и действия Холста.
Некоторые определения
Сначала нам нужно ввести понятие тетрады. Тетрада — это ортонормированный векторный базис, в терминах которого метрика пространства-времени выглядит локально плоской,
где — метрика Минковского. Тетрады кодируют информацию о метрике пространства-времени и будут взяты в качестве одной из независимых переменных в принципе действия.
Теперь, если мы собираемся работать с объектами, имеющими внутренние индексы, нам нужно ввести соответствующую производную (ковариантную производную). Мы вводим произвольную ковариантную производную через
Где спиновая (Лоренцева) связность одноформная (производная аннулирует метрику Минковского ). Мы определяем кривизну через
Мы получаем
.
Введем ковариантную производную, которая аннулирует тетраду,
.
Связь полностью определяется тетрадой. Действие этого на обобщенный тензор задается формулой
Мы определяем кривизну как
Это легко соотносится с обычной кривизной, определяемой как
подставляя в это выражение (подробности см. ниже). Получаем,
Скаляр Риччи этой кривизны можно выразить как Действие можно записать
где но теперь является функцией поля кадра.
Мы выведем уравнения Эйнштейна, варьируя это действие относительно тетрады и спиновой связи как независимых величин.
В качестве сокращения для выполнения расчета мы вводим связь, совместимую с тетрадой, [2] Связь, связанная с этой ковариантной производной, полностью определяется тетрадой. Разница между двумя введенными нами связями — это поле, определяемое как
Мы можем вычислить разницу между кривизной этих двух ковариантных производных (подробности см. ниже),
Причина этого промежуточного расчета в том, что проще вычислить вариацию, перевыразив действие через и и отметив, что вариация относительно является такой же, как вариация относительно (при сохранении тетрады фиксированной). Действие становится
Сначала мы варьируемся относительно . Первый член не зависит от , поэтому он не вносит вклад. Второй член является полной производной. Последний член дает
Ниже мы покажем, что это подразумевает, что поскольку префактор невырожден. Это говорит нам, что совпадает с при действии на объекты только с внутренними индексами. Таким образом, связь полностью определяется тетрадой и совпадает с . Для вычисления вариации относительно тетрады нам нужна вариация . Из стандартной формулы
мы имеем . Или при использовании это становится . Мы вычисляем второе уравнение, варьируя относительно тетрады,
Получаем, после подстановки , как указано в предыдущем уравнении движения,
что после умножения на просто говорит нам, что тензор Эйнштейна метрики, определяемой тетрадами, исчезает. Таким образом, мы доказали, что вариация Палатини действия в тетрадической форме дает обычные уравнения Эйнштейна .
Обобщения действия Палатини
Мы изменяем действие, добавляя термин
Это изменяет действие Палатини на
где
Это действие, приведенное выше, является действием Холста, введенным Холстом [3] , и является параметром Барберо-Иммирци, роль которого была признана Барберо [4] и Иммирци. [5] Самодвойственная формулировка соответствует выбору .
Легко показать, что эти действия дают те же уравнения. Однако случай, соответствующий , должен быть рассмотрен отдельно (см. статью самодвойственное действие Палатини ). Предположим , тогда имеет обратное, заданное формулой
(обратите внимание, что это расходится для ). Поскольку эта обратная функция существует, обобщение префактора также будет невырожденным, и как таковые эквивалентные условия получаются из вариации относительно связности. Мы снова получаем . В то время как вариация относительно тетрады дает уравнение Эйнштейна плюс дополнительный член. Однако этот дополнительный член исчезает из-за симметрии тензора Римана.
Детали расчета
Соотношение обычной кривизны со смешанной кривизной индекса
Обычный тензор кривизны Римана определяется как
Чтобы найти связь со смешанным индексом тензора кривизны, подставим
где мы использовали . Поскольку это верно для всех , то получаем
.
Используя это выражение, находим
Свертывание и позволяет нам записать скаляр Риччи
Разница между кривизной
Производная, определенная с помощью , знает, как действовать только на внутренние индексы. Однако мы считаем удобным рассмотреть расширение без кручения для индексов пространства-времени. Все вычисления будут независимы от этого выбора расширения. Применяя дважды к ,
где неважно, нужно только отметить, что он симметричен по и так как не имеет кручения. Тогда
Следовательно:
Изменение действия относительно поля
Мы также ожидаем аннулирования метрики Минковского . Если мы также предположим, что ковариантная производная аннулирует метрику Минковского (тогда она называется метрикой без кручения), то мы имеем,
Подразумевая
Из последнего члена действия имеем от изменяющегося по отношению к
или
или
где мы использовали . Это можно записать более компактно как
Исчезновение
Мы покажем, следуя ссылке «Геометродинамика против динамики связей» [6], что
подразумевает Сначала мы определяем тензорное поле пространства-времени как
Тогда условие эквивалентно . Свертывание уравнения 1 с единицей вычисляет, что
Как мы имеем Мы пишем это как
и так как являются обратимыми, это подразумевает
Таким образом, члены и уравнения 1 оба исчезают, и уравнение 1 сводится к
Если мы теперь свернём это с , то получим
или
Поскольку у нас есть и , мы можем последовательно поменять местами первые два, а затем последние два индекса с соответствующей сменой знака каждый раз, чтобы получить,
Подразумевая
или
и поскольку обратимы, то получаем . Это и есть желаемый результат.
^ А. Палатини (1919) Deduzione invariantiva delle Equazioni Gravitazionali dal Principio di Hamilton , Rend. Цирк. Мат. Palermo 43 , 203-212 [английский перевод Р.Хоймана и К.Мукку в книге П.Г. Бергманна и В. Де Саббаты (ред.) Космология и гравитация, Plenum Press, Нью-Йорк (1980)]
^ А. Аштекар «Лекции по непертурбативной канонической гравитации» (с приглашенными авторами), Библиополис, Неаполь, 19988.
^ Хольст, Сёрен (1996-05-15). "Гамильтониан Барберо, полученный из обобщенного действия Гильберта-Палатини". Physical Review D. 53 ( 10): 5966– 5969. arXiv : gr-qc/9511026 . Bibcode : 1996PhRvD..53.5966H. doi : 10.1103/physrevd.53.5966. ISSN 0556-2821. PMID 10019884. S2CID 15959938.
^ Barbero G., J. Fernando (1995-05-15). "Действительные переменные Аштекара для лоренцевых сигнатурных пространств-времен". Physical Review D. 51 ( 10): 5507– 5510. arXiv : gr-qc/9410014 . Bibcode : 1995PhRvD..51.5507B. doi : 10.1103/physrevd.51.5507. ISSN 0556-2821. PMID 10018309. S2CID 16314220.
^ Иммирци, Джорджио (1997-10-01). «Действительные и комплексные связи для канонической гравитации». Классическая и квантовая гравитация . 14 (10). Издательство IOP: L177 – L181 . arXiv : gr-qc/9612030 . Bibcode : 1997CQGra..14L.177I. doi : 10.1088/0264-9381/14/10/002. ISSN 0264-9381. S2CID 5795181.
^ Романо, Джозеф Д. (1993). «Геометродинамика против динамики связей». Общая теория относительности и гравитация . 25 (8): 759– 854. arXiv : gr-qc/9303032 . Bibcode :1993GReGr..25..759R. doi :10.1007/bf00758384. ISSN 0001-7701. S2CID 119359223.