相対性理論⑧ クリストッフェル記号と計量テンソル このエントリーをはてなブックマークに追加

クリストッフェル記号と計量テンソル

計量テンソルの定義について

この記事を書くにあたって、計量テンソルの負を空間か時間かどちらにつけるか迷いました。相対論的量子力学のほうでは空間成分に負を、一般相対論では時間成分に負を付けることが多いのですが、相対論的量子力学のほうで空間成分に負を付けていたので...統一しようかな...とか考えましたが...まあ、一般相対論の記事なので時間に負を付けることにします。

計量テンソルの意味

計量テンソル
計量テンソルを$g_{\mu\nu}$は
\begin{align*} ds^2=g_{\mu\nu}dx^\mu dx^\nu \end{align*}
となるもので、特に局所慣性系では、
\begin{align*} g_{\mu\nu}=\eta_{\mu\nu}=\text{diag}{(-1,1,1,1)} \end{align*}
であり、定義より明らかに
\begin{align*} g_{\mu\nu}=g_{\nu\mu} \end{align*}
が成り立ちます。
つまり、時空の歪み、重力が計量テンソルに現れます。歪みがないときには特殊相対論でやったような議論に帰着できます。

クリストッフェル記号

これが「定義」というわけではないですが、このような表式になるので、先に紹介しておきます。
クリストッフェル記号
\begin{align} {\Gamma^\lambda}_{\mu\nu}=\dfrac{1}{2}g^{\lambda\alpha}\left(\partial_\nu g_{\alpha\mu}+\partial_\mu g_{\alpha\nu}-\partial_\alpha g_{\mu\nu}\right) \label{eq:1} \end{align}
縮約を取っていますので注意してください。さて、前回の記事では測地線方程式を紹介しましたが、そこにクリストッフェル記号が登場していました。ただし、$\{X^\alpha\}$は局所慣性系です。
\begin{align*} \dfrac{d^2x^\lambda}{d\tau^2}&+{\Gamma^\lambda}_{\mu\nu}&\dfrac{dx^\lambda}{d\tau}\dfrac{dx^\rho}{d\tau}&=0 \\ \dfrac{d^2x^\lambda}{d\tau^2}&+\dfrac{\partial^2 X^\alpha}{\partial x^\mu \partial x^\nu}\dfrac{\partial x^\lambda}{\partial X^\alpha}&\dfrac{dx^\lambda}{d\tau}\dfrac{dx^\rho}{d\tau}&=0 \end{align*}
つまり、比較すると、
\begin{align} {\Gamma^\lambda}_{\mu\nu}=\dfrac{\partial^2 X^\alpha}{\partial x^\mu \partial x^\nu}\dfrac{\partial x^\lambda}{\partial X^\alpha} \label{eq:2} \end{align}
というわけです。さて、クリストッフェル記号に複数の座標系の情報が含まれているので、あまり好ましくないのでした。というわけで最初に用いた表現を導出します。
\begin{align} ds^2=g_{\alpha\beta}dx^\alpha dx^\beta&=\eta_{\mu\nu}dX^\mu dX^\nu \nonumber \\ \therefore g_{\alpha\beta}&=\dfrac{\partial X^\mu}{\partial x^\alpha}\dfrac{\partial X^\nu}{\partial x^\beta}\eta_{\mu\nu} \label{eq:3} \end{align}
という関係があるので、
\begin{align} \partial_\nu g_{\alpha\mu} &=\dfrac{\partial}{\partial x^\nu} \left(\dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\alpha}\dfrac{\partial X^\gamma}{\partial x^\mu}\eta_{\beta\gamma}\right) \nonumber \\ &=\left\{\dfrac{\partial^2 X^\beta}{\partial x^\nu \partial x^\alpha}\dfrac{\partial X^\gamma}{\partial x^\mu}+\dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\alpha}\dfrac{\partial^2 X^\gamma}{\partial x^\nu \partial x^\mu}\right\}\eta_{\beta\gamma} \label{eq:4} \end{align}
と計算できます。また、\eqref{eq:2}の辺々に$\partial X^\beta/\partial x^\lambda$をかけると、
\begin{align} \dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\lambda}{\Gamma^\lambda}_{\mu\nu}&=\dfrac{\partial^2X^\alpha}{\partial x^\mu\partial x^\nu}\dfrac{\partial x^\lambda}{\partial X^\alpha}\dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\lambda} \nonumber \\ &=\dfrac{\partial^2 X^\alpha}{\partial x^\mu \partial x^\nu}\delta^\beta_\alpha \nonumber \\ \therefore \dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\lambda}{\Gamma^\lambda}_{\mu\nu} &=\dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\mu \partial x^\nu} \label{eq:5} \end{align}
\eqref{eq:5}を\eqref{eq:4}に用いると、
\begin{align*} \partial_\nu g_{\alpha\mu} &=\left\{\dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\lambda}\dfrac{\partial X^\gamma}{\partial x^\mu}{\Gamma^\lambda}_{\nu\alpha}+\dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\alpha}\dfrac{\partial X^\gamma}{\partial x^\lambda}{\Gamma^\lambda}_{\nu\mu}\right\}\eta_{\beta\gamma} \\ &=\dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\lambda}\dfrac{\partial X^\gamma}{\partial x^\mu}\eta_{\beta\gamma} {\Gamma^\lambda}_{\nu\alpha}+\dfrac{\partial X^\beta}{\partial x^\alpha}\dfrac{\partial X^\gamma}{\partial x^\lambda} \eta_{\beta\gamma}{\Gamma^\lambda}_{\nu\mu} \end{align*}
ここで、\eqref{eq:3}を用います。また、和を取っている文字を変更すると、
\begin{align*} \partial_\nu g_{\alpha\mu}=g_{\rho\mu}{\Gamma^\rho}_{\nu\alpha}+g_{\alpha\rho}{\Gamma^\rho}_{\nu\mu} \end{align*}
左から、$g^{\lambda\alpha}$をかけて、計量テンソルの関係$g_{\mu\nu}=g_{\nu\mu}$と、$g^{\mu\alpha}g_{\alpha\nu}=\delta^\mu_\nu$を用いて計算します。 ただし、計算の中で、\eqref{eq:2}より直ちに分かる${\Gamma^\lambda}_{\mu\nu}={\Gamma^\lambda}_{\nu\mu}$を用いています。
\begin{align} g^{\lambda\alpha}\partial_\nu g_{\alpha\mu} &=g^{\lambda\alpha}g_{\rho\mu}{\Gamma^\rho}_{\nu\alpha}+\delta^\lambda_\rho {\Gamma^\rho}_{\nu\mu} \nonumber \\ &=g^{\lambda\alpha}g_{\rho\mu}{\Gamma^\rho}_{\nu\alpha}+{\Gamma^\lambda}_{\nu\mu} \nonumber \\ &=g^{\lambda\alpha}g_{\rho\mu}{\Gamma^\rho}_{\alpha\nu}+{\Gamma^\lambda}_{\mu\nu} \label{eq:6} \end{align}
さて、これはクリストッフェル記号\eqref{eq:1}の(係数をのぞいた)第一項ですが、第二項、第三項についても同様の計算を行います。第二項について、
\begin{align} g^{\lambda\alpha}\partial_\mu g_{\alpha\nu} &=g^{\lambda\alpha}\left(g_{\rho\nu}{\Gamma^\rho}_{\mu\alpha}+g_{\alpha\rho}{\Gamma^\rho}_{\mu\nu}\right) \nonumber \\ &=g^{\lambda\alpha}g_{\rho\nu}{\Gamma^\rho}_{\mu\alpha}+\delta^\lambda_\rho {\Gamma^\rho}_{\mu\nu} \nonumber\\ &=g^{\lambda\alpha}g_{\rho\nu}{\Gamma^\rho}_{\mu\alpha}+{\Gamma^\lambda}_{\mu\nu} \label{eq:7} \end{align}
第三項について、
\begin{align} g^{\lambda\alpha}\partial_\alpha g_{\mu\nu} &=g^{\lambda\alpha}g_{\rho\nu}{\Gamma^\rho}_{\alpha\mu}+g^{\lambda\alpha}g_{\mu\rho}{\Gamma^\rho}_{\alpha\nu} \nonumber \\ &=g^{\lambda\alpha}g_{\rho\nu}{\Gamma^\rho}_{\alpha\mu}+g^{\lambda\alpha}g_{\rho\mu}{\Gamma^\rho}_{\alpha\nu} \nonumber \\ &=g^{\lambda\alpha}g_{\rho\nu}{\Gamma^\rho}_{\mu\alpha}+g^{\lambda\alpha}g_{\rho\mu}{\Gamma^\rho}_{\alpha\nu}\label{eq:8} \end{align}
以上、まとめると、\eqref{eq:6}+\eqref{eq:7}-\eqref{eq:8}で、
\begin{align*} 2{\Gamma^\lambda}_{\mu\nu}=g^{\lambda\alpha}\partial_\nu g_{\alpha\mu}+g^{\lambda\alpha}\partial_\mu g_{\alpha\nu}-g^{\lambda\alpha}\partial_\alpha g_{\mu\nu} \\ \therefore {\Gamma^\lambda}_{\mu\nu}=\dfrac{1}{2}g^{\lambda\alpha}(\partial_\nu g_{\alpha\mu}+\partial_\mu g_{\alpha\nu}-\partial_\alpha g_{\mu\nu}) \end{align*}
これでクリストッフェル記号を一つの座標系のデータのみで構成できました。

クリストッフェル記号の接続係数としての本来の定義

クリストッフェル記号はこのリーマン幾何学の中では接続係数として定義されます。なので、本来は基底ベクトルを用いて定義するのが正しい理解になります。次回の記事で共変微分と絡めた定義を紹介します。



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