如何理解凱林向量場(Killing vector field)?

時間 2021-05-10 02:09:51

1樓:

談一點更影象的看法,供參考。

光滑向量場可以生成微分同胚對映,可將流形上的張量場對映為另一張量場。直觀理解就是「易地唱戲」,相當於將張量場以某種規則(即微分同胚對映的規則)搬到另乙個地方。

Killing向量場生成的微分同胚對映作用於度規後不變,即搬了乙個位置後,仍然沒什麼區別。直觀理解可以想象乙個圓柱狀的房子,繞中心旋轉任意角度,這房子都不變。所以,本質上Killing向量場就是刻畫了度規的對稱性。

那麼,為什麼要研究Killing向量場呢?原因還是對稱性。對稱性的存在說明系統的自由度存在冗餘,想辦法解決掉這個冗餘,就可以簡化問題。

比如,平面上的圓周運動,如果在直角座標系下研究,它是兩個自由度。但是如果注意到它的運動過程中半徑不變,就可以約化掉半徑的自由度,而只用角度來刻畫即可。從而大大簡化問題。

引力場方程是高度非線性偏微分方程組,硬解幾乎沒有可能。如果事先知曉系統的某些對稱性,比如它是靜態的、或是它是球對稱的等等。加上這些條件,就可以把待解的度規分量變的更少,從而大大簡化問題。

比如 Schwarschild 黑洞就是球對稱靜態解,用對稱性約化掉一堆分量之後,方程將變得可解。

除了極簡單的情形下有解析解,大部分引力系統其實目前解析解都還沒有找到。所以,現在有不少用數值相對論的辦法來求解。即使是數值上求解問題,也常常要用到對稱性,原因還是為了簡化問題。

建議閱讀梁燦彬先生的《微分幾何與廣義相對論》上冊,書上對這個問題有很精確的表述。其中「易地唱戲」就是梁書中的表述。

2樓:質點

剛學完這個內容,談一下我的粗淺理解。

設 為等度規對映,即 ,那麼 。即: 作為向量的對映保持內積不變。形象地理解,是乙個旋轉。

如果 是含引數 的,那麼這個旋轉可以視為一系列無窮小旋轉的連續作用。這個無窮小作用的體現就是Killing向量場 。這一系列作用的過程對應了的積分曲線。

這一作用的保度規性對應了Killing方程。

為了描述無窮小旋轉,可以用角速度2形式。定義是:在一條曲線上定義了向量場 ,如果有2形式場使得 ,其中 是沿曲線的協變導數,那麼稱向量場 經受為角速度的轉動。

容易理解,經受轉動的兩個向量的內積是不變的。

作為單參微分同胚群,它的無窮小作用體現為它的李導數。因為我們要求是等度規的,因此它是旋轉,因此它的無窮小作用就得是「無窮小旋轉」,這就聯絡到了角速度2形式了。即:

李導數與協變導數的區別體現在乙個角速度2形式上。協變導數很簡單,就是 。而李導數可以借用對易子的表示式寫為 。

李導數的第一項與協變導數相同,因此區別只體現在第二項。如果要求它是乙個旋轉,那麼需要有 ,即 ,聯絡形式的反對稱性就得到Killing方程 。

3樓:YorkYoung

簡單的一句話,Killing向量場就是等度規群的無窮小生成元(當然也就是它的李代數)。

這裡勸題主自學一下微分幾何,不懂微分幾何,學廣義相對論,就好比高中不知道微積分,強行學瞬時速度和加速度,看得懂才怪了。

但是如果我們在流形上定義了度規,成為乙個黎曼流形,那麼它的自同構,就要要求這樣的微分同胚是保度規的。設是黎曼流形 上的自同胚,對於度規 ,它的拉回對映 ,作用在度規上,如果 ,那麼它就是乙個等度規變換。

考慮所有的等度規變換的集合,顯然以對映復合為乘法,它構成乙個群,實際上它是乙個李變換群,對於任意乙個單引數子群 ,我們定義李導數

其中T為(0,n)型張量場,X是給出的曲線族的切向量場,於是我們可以近似認為對於微小的等度規變換

其中 是恒等對映,特別地對(0,0)型張量場,也就是函式

由於 是等度規變換,於是 ,於是

如果我們找得到乙個座標系使得 ,那麼 ,從而度規的分量不顯含 。

顯然這樣的向量場越多,度規的形式就越簡單,而黎曼流形的對稱性群就越大,物理上來說它就對稱性好,就簡單,就好算。

所以我們當然要把等度規群的無窮小生成元,也就是Killing向量場,看得很重要了,畢竟理論物理某種程度上就是研究對稱性的學問嘛。

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