El tensor de tensión-energía se define como el tensor T αβ de orden dos que da el flujo del componente α -ésimo del vector de momento a través de una superficie con coordenada x β constante . En la teoría de la relatividad , este vector de momento se toma como el cuatro-momento . En la relatividad general, el tensor de tensión-energía es simétrico, [1]
En algunas teorías alternativas, como la teoría de Einstein-Cartan , el tensor de tensión-energía puede no ser perfectamente simétrico debido a un tensor de espín distinto de cero , que geométricamente corresponde a un tensor de torsión distinto de cero .
Componentes
Dado que el tensor de tensión-energía es de orden 2, sus componentes se pueden mostrar en forma de matriz de 4 × 4:
donde los índices μ y ν toman los valores 0, 1, 2, 3.
A continuación, k y ℓ varían de 1 a 3:
El componente tiempo-tiempo es la densidad de masa relativista, es decir, la densidad de energía dividida por la velocidad de la luz al cuadrado, mientras se está en el marco de referencia en movimiento conjunto . [2] Tiene una interpretación física directa. En el caso de un fluido perfecto, este componente es
donde es la masa relativista por unidad de volumen, y para un campo electromagnético en un espacio vacío, este componente es
donde E y B son los campos eléctrico y magnético, respectivamente. [3]
El flujo de masa relativista a través de la superficie x k es equivalente al componente k de la densidad del momento lineal ,
Los componentes
representan el flujo del componente k del momento lineal a través de la superficie x ℓ . En particular,
(no se suma) representa la tensión normal en la dirección de la coordenada k ( k = 1, 2, 3 ), que se llama " presión " cuando es la misma en todas las direcciones, k . Los componentes restantes
En física del estado sólido y mecánica de fluidos , el tensor de tensión se define como los componentes espaciales del tensor de tensión-energía en el marco de referencia adecuado . En otras palabras, el tensor de tensión-energía en ingeniería se diferencia del tensor de tensión-energía relativista por un término de convección de momento.
Formas covariantes y mixtas
La mayor parte de este artículo trabaja con la forma contravariante, T μν del tensor de tensión-energía. Sin embargo, a menudo es necesario trabajar con la forma covariante,
La divergencia de la tensión no gravitacional y la energía es cero. En otras palabras, la energía no gravitacional y el momento se conservan.
Cuando la gravedad es despreciable y se utiliza un sistema de coordenadas cartesianas para el espacio-tiempo, esto puede expresarse en términos de derivadas parciales como
La forma integral de la formulación no covariante es
donde N es cualquier región compacta de cuatro dimensiones del espacio-tiempo; es su límite, una hipersuperficie tridimensional; y es un elemento del límite considerado como la normal que apunta hacia afuera.
En el espacio-tiempo plano y utilizando coordenadas cartesianas, si se combina esto con la simetría del tensor tensión-energía, se puede demostrar que el momento angular también se conserva:
En consecuencia, si cualquier campo vectorial de Killing es , entonces la ley de conservación asociada con la simetría generada por el campo vectorial de Killing puede expresarse como
La forma integral de esto es
En relatividad especial
En relatividad especial , el tensor de tensión-energía contiene información sobre las densidades de energía y momento de un sistema dado, además de las densidades de flujo de energía y momento. [4]
Dada una densidad lagrangiana que es función de un conjunto de campos y sus derivadas, pero explícitamente no de ninguna de las coordenadas del espacio-tiempo, podemos construir el tensor de tensión-energía canónico observando la derivada total con respecto a una de las coordenadas generalizadas del sistema. Por lo tanto, con nuestra condición
Usando la regla de la cadena, tenemos entonces
Escrito en taquigrafía útil,
Luego podemos utilizar la ecuación de Euler-Lagrange:
Y luego usamos el hecho de que las derivadas parciales conmutan de modo que ahora tenemos
Podemos reconocer el lado derecho como una regla del producto. Escribiéndola como la derivada de un producto de funciones nos dice que
Ahora, en el espacio plano, se puede escribir . Al hacer esto y moverlo al otro lado de la ecuación, obtenemos que
Y al reagrupar los términos,
Es decir que la divergencia del tensor entre paréntesis es 0. En efecto, con esto definimos el tensor de tensión-energía:
Por construcción tiene la propiedad de que
Nótese que esta propiedad sin divergencia de este tensor es equivalente a cuatro ecuaciones de continuidad . Es decir, los campos tienen al menos cuatro conjuntos de cantidades que obedecen a la ecuación de continuidad. A modo de ejemplo, se puede ver que es la densidad de energía del sistema y que, por lo tanto, es posible obtener la densidad hamiltoniana a partir del tensor de tensión-energía.
De hecho, dado que este es el caso, observando que , entonces tenemos
Podemos entonces concluir que los términos de representan la densidad de flujo de energía del sistema.
Rastro
Nótese que la traza del tensor de tensión-energía se define como , por lo que
En la relatividad general, las derivadas parciales utilizadas en la relatividad especial se sustituyen por derivadas covariantes . Esto significa que la ecuación de continuidad ya no implica que la energía y el momento no gravitacionales expresados por el tensor se conserven absolutamente, es decir, que el campo gravitacional puede realizar trabajo sobre la materia y viceversa. En el límite clásico de la gravedad newtoniana , esto tiene una interpretación sencilla: la energía cinética se intercambia con la energía potencial gravitacional , que no está incluida en el tensor, y el momento se transfiere a través del campo a otros cuerpos. En la relatividad general, el pseudotensor de Landau-Lifshitz es una forma única de definir las densidades de energía y momento del campo gravitacional . Cualquier pseudotensor de tensión-energía puede hacerse desaparecer localmente mediante una transformación de coordenadas.
En un espacio-tiempo curvo, la integral espacial depende ahora de la porción espacial, en general. De hecho, no hay forma de definir un vector global de energía-momento en un espacio-tiempo curvo general.
Ecuaciones de campo de Einstein
En relatividad general, el tensor de tensión-energía se estudia en el contexto de las ecuaciones de campo de Einstein, que a menudo se escriben como
donde es la densidad de masa-energía ( kilogramos por metro cúbico), es la presión hidrostática ( pascales ), es la cuadrivelocidad del fluido y es la matriz inversa del tensor métrico . Por lo tanto, la traza viene dada por
El teorema de Noether implica que existe una corriente conservada asociada con las traslaciones a través del espacio y el tiempo; para más detalles, consulte la sección anterior sobre el tensor de tensión-energía en la relatividad especial. Esto se denomina tensor de tensión-energía canónico. Generalmente, no es simétrico y, si tenemos alguna teoría de calibración, puede que no sea invariante de calibración porque las transformaciones de calibración dependientes del espacio no conmutan con las traslaciones espaciales.
En la relatividad general , las traslaciones se realizan con respecto al sistema de coordenadas y, como tal, no se transforman de manera covariante. Consulte la sección a continuación sobre el pseudotensor de energía y tensión gravitacional.
Tensor de tensión-energía de Belinfante-Rosenfeld
En presencia de espín u otro momento angular intrínseco, el tensor de tensión-energía canónico de Noether no es simétrico. El tensor de tensión-energía de Belinfante-Rosenfeld se construye a partir del tensor de tensión-energía canónico y la corriente de espín de tal manera que es simétrico y aún se conserva. En relatividad general, este tensor modificado concuerda con el tensor de tensión-energía de Hilbert.
Estrés gravitacional – energía
Según el principio de equivalencia, la tensión-energía gravitacional siempre desaparecerá localmente en cualquier punto elegido en algún marco elegido, por lo tanto, la tensión-energía gravitacional no se puede expresar como un tensor distinto de cero; en su lugar, tenemos que utilizar un pseudotensor .
En la relatividad general, existen muchas definiciones posibles y distintas del pseudotensor de esfuerzo-energía-momento gravitacional. Entre ellas, se encuentran el pseudotensor de Einstein y el pseudotensor de Landau-Lifshitz . El pseudotensor de Landau-Lifshitz se puede reducir a cero en cualquier evento del espacio-tiempo eligiendo un sistema de coordenadas adecuado.
^ En las páginas 141-142 de Misner, Thorne y Wheeler , la sección 5.7 "Simetría del tensor de tensión-energía" comienza con "Todos los tensores de tensión-energía explorados anteriormente eran simétricos. Que no podrían haber sido de otra manera se ve de la siguiente manera".
^ Misner, Charles W.; Thorne, Kip S.; Wheeler, John A. (1973). Gravitación . San Francisco, CA: WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-0334-3.
^ d'Inverno, RA (1992). Introducción a la relatividad de Einstein . Nueva York, NY: Oxford University Press. ISBN978-0-19-859686-8.
^ Landau, LD; Lifshitz, EM (2010). La teoría clásica de campos (4.ª ed.). Butterworth-Heinemann. págs. 84-85. ISBN978-0-7506-2768-9.
^ Baker, MR; Kiriushcheva, N.; Kuzmin, S. (2021). "Los tensores de energía-momento (métricos) de Noether y Hilbert no son, en general, equivalentes". Física nuclear B . 962 (1): 115240. arXiv : 2011.10611 . Código Bibliográfico :2021NuPhB.96215240B. doi :10.1016/j.nuclphysb.2020.115240. S2CID 227127490.
W. Wyss (2005). "El tensor de energía-momento en la teoría clásica de campos" (PDF) . Colorado, EE. UU.
Enlaces externos
Conferencia de Stephan Waner
Tutorial de Caltech sobre relatividad: una discusión sencilla de la relación entre el tensor de tensión-energía de la relatividad general y la métrica