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【一般相対論】共変微分の定義と接続の導入・変換則

この記事では,接続という概念を導入することで,座標変換に対して共変的に振る舞う微分(共変微分)を定義する.

目次

偏微分は共変な演算子ではない

反変ベクトル $A^{\mu}(x)$ の偏微分を考えると,

\begin{align} \partial’_{\mu}A’^{\nu}(x’) &=\frac{\partial}{\partial x’^{\mu}}A’^{\nu}(x’)\notag\\ &=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial}{\partial x^{\rho}}\left(\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}}A^{\sigma}(x)\right)\notag\\ &=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}}\frac{\partial A^{\sigma}(x)}{\partial x^{\rho}}+\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial^2x’^{\nu}}{\partial x^{\rho}x^{\sigma}}A^{\sigma}(x)\notag\\ &=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}}\partial_{\rho}A^{\sigma}(x)+\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial^2x’^{\nu}}{\partial x^{\rho}x^{\sigma}}A^{\sigma}(x). \label{pA} \end{align}

第1項は $(1,1)$ 型テンソルとしての変換則そのものであるが,余分な第2項があるので,全体としては $(1,1)$ 型テンソルの変換をしていない.

この余分な第2項をキャンセルするために,これから補正項を加えることを考える.

共変微分と接続

共変微分の定義

$\partial_{\mu}A^{\nu}(x)$ は $(1,1)$ 型テンソルとして変換していないことがわかった.

反変ベクトルが $(1,1)$ 型テンソルに写像されるような微分(これを共変微分という)を定義する:

\begin{align} \nabla_{\mu}A^{\nu}(x)=\partial_{\mu}A^{\nu}(x)+\Gamma_{\mu\rho}^{\nu}(x)A^{\rho}(x). \label{covariantderivative} \end{align}

ここで,$\Gamma_{\mu\rho}^{\nu}(x)$ は接続(または接続係数)と呼ばれる量である.

これは \eqref{pA} の第2項をキャンセルさせるために導入した量で,添字が付いているがテンソルではない.

接続の変換則

実際に,接続は座標変換に対して次のように変換する.

接続の変換則
\begin{align} \Gamma_{\mu\rho}’^{\nu}(x’) =\frac{\partial x^{\tau}}{\partial x’^{\rho}}\frac{\partial x^{\sigma}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\lambda}}\Gamma_{\sigma\tau}^{\lambda}(x)-\frac{\partial x^{\tau}}{\partial x’^{\rho}}\frac{\partial x^{\sigma}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial^2 x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}\partial x^{\tau}} \end{align}

接続の変換則の導出(クリックで開きます)

接続の変換則を導出する.

まず,共変微分 $\nabla_{\mu}A^{\nu}(x)$ が $(1,1)$ 型テンソルとして変換することを要請する:

\begin{align} \nabla’_{\mu}A’^{\nu}(x’) =\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}}\nabla_{\rho}A^{\sigma}(x). \label{req} \end{align}

\eqref{req} の右辺に \eqref{covariantderivative}を代入すると,

\begin{align} \nabla’_{\mu}A’^{\nu}(x’) &=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}}\left(\partial_{\rho}A^{\sigma}(x)+\Gamma_{\rho\lambda}^{\sigma}(x)A^{\lambda}(x)\right)\notag\\ &=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}}\partial_{\rho}A^{\sigma}(x)+\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}}\Gamma_{\rho\lambda}^{\sigma}(x)A^{\lambda}(x) \label{nA1} \end{align}

となる.

一方で,共変微分の定義の座標変換は,

\begin{align} \nabla’_{\mu}A’^{\nu}(x’) &=\partial’_{\mu}A’^{\nu}(x’)+\Gamma_{\mu\rho}’^{\nu}(x’)A’^{\rho}(x’)\notag\\ &=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}}\partial_{\rho}A^{\sigma}(x)+\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial^2 x’^{\nu}}{\partial x^{\rho}\partial x^{\sigma}}A^{\sigma}(x)+\Gamma_{\mu\rho}’^{\nu}(x’)\frac{\partial x’^{\rho}}{\partial x^{\sigma}}A^{\sigma}(x) \label{nA2} \end{align}

となる.

ここで,\eqref{pA} を用いた.

\eqref{nA1} と \eqref{nA2} を比較すると,

\begin{align} \frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}}\Gamma_{\rho\lambda}^{\sigma}(x)A^{\lambda}(x)=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial^2 x’^{\nu}}{\partial x^{\rho}\partial x^{\sigma}}A^{\sigma}(x)+\Gamma_{\mu\rho}’^{\nu}(x’)\frac{\partial x’^{\rho}}{\partial x^{\sigma}}A^{\sigma}(x) \end{align}

が得られる.

左辺のダミー添字 $\sigma, \lambda$ を付け替えると,

\begin{align} \frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\lambda}}\Gamma_{\rho\sigma}^{\lambda}(x)A^{\sigma}(x)=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial^2 x’^{\nu}}{\partial x^{\rho}\partial x^{\sigma}}A^{\sigma}(x)+\Gamma_{\mu\rho}’^{\nu}(x’)\frac{\partial x’^{\rho}}{\partial x^{\sigma}}A^{\sigma}(x) \end{align}

となる.

$A^{\sigma}(x)$ は任意の反変ベクトルなので,

\begin{align} \frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\lambda}}\Gamma_{\rho\sigma}^{\lambda}(x)=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial^2 x’^{\nu}}{\partial x^{\rho}\partial x^{\sigma}}+\Gamma_{\mu\rho}’^{\nu}(x’)\frac{\partial x’^{\rho}}{\partial x^{\sigma}} \end{align}

となり,$\Gamma_{\mu\rho}’^{\nu}(x’)$ を含む項について解くと,

\begin{align} \Gamma_{\mu\rho}’^{\nu}(x’)\frac{\partial x’^{\rho}}{\partial x^{\sigma}}=\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\lambda}}\Gamma_{\rho\sigma}^{\lambda}(x)-\frac{\partial x^{\rho}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial^2 x’^{\nu}}{\partial x^{\rho}\partial x^{\sigma}}. \end{align}

最後に,$\frac{\partial x’^{\rho}}{\partial x^{\sigma}}$ の逆変換を両辺に作用させることで,

\begin{align} \Gamma_{\mu\rho}’^{\nu}(x’) =\frac{\partial x^{\tau}}{\partial x’^{\rho}}\frac{\partial x^{\sigma}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial x’^{\nu}}{\partial x^{\lambda}}\Gamma_{\sigma\tau}^{\lambda}(x)-\frac{\partial x^{\tau}}{\partial x’^{\rho}}\frac{\partial x^{\sigma}}{\partial x’^{\mu}}\frac{\partial^2 x’^{\nu}}{\partial x^{\sigma}\partial x^{\tau}} \end{align}

が得られる.

これが接続の変換則である.

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