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万有引力の法則の共変形式 試案1

まだ,重力場方程式には接近せず, 万有引力の法則を共変形式で記述せよという課題が与えられているのであるから, その課題から直接に万有引力の法則の共変形式を導き出す探索をしてみよう. この探索は無謀に思えるが,なにもその探索を制限するものはない. また,重力場方程式というアインシュタインによる解答が 妥当かどうか判断する上でも重要である. というのは,このような努力を少しばかり払っておくと, アインシュタインによるアプローチが浮かび上がってくるからである.

万有引力の法則はポテンシャルφを用いてポアソン方程式で記述できる.

  (22)
ただし,ρは物質密度である. ポテンシャルφに相互作用する物体はニュートン力学によると運動方程式
  (23)
に従って運動する.vは物体の速度である. 一般的な運動方程式を特殊相対性原理に従うように修正し, 共変形式で書くことはそれほど難しいことではない. 教科書により結果だけを記すと,4元運動量pi を使って
  (24)
となる.τは固有時間であり
  (25)
で定義される.fi は4元力であり, 万有引力の場合に4元力fi が どうなっているかがこれから見出そうとしている事項である. このような4元力fi を見出すために, あるいは単に共変形式で書きたいという要請によって, ポアソン方程式(22)を共変形式で書くことを考える. 最も簡単な方法は,方程式(22)にあるΔを□とし, φを特殊相対論的共変なスカラーとすることである.したがって,
  (26)
となる.

実は今までの議論で, 特殊相対論的共変な演算子,特殊相対論的共変なスカラー,ベクトル,テンソル の定義を述べていなかった.ここで述べることにしよう. 慣性系Kの時間と座標をxi=(ct,x,y,z)と表記する. 慣性系Kとは別の慣性系K’の時間と座標を x'i=(ct',x',y',z')と表記する. 慣性系Kでの物理量φ(xi)を座標変換し, 慣性系K’での物理量φ'(x'i)を求めたとき

  (27)
となる 物理量φを特殊相対論的共変なスカラーという.

慣性系Kでの4元ベクトルU(xi)を座標変換し, 慣性系K’での4元ベクトルU'(x'i)を求めたとき

  (28)
となる4元ベクトルU(xi)を特殊相対論的反変ベクトルという. なお,
  (29)
は x から x’への座標変換であり, ローレンツ変換である.

慣性系Kでの4元ベクトルV(xi)を座標変換し, 慣性系K’での4元ベクトルV'(x'i)を求めたとき

  (30)
となる4元ベクトルV(xi)を特殊相対論的共変ベクトルという. なお,
  (31)
は Lij の逆行列であり,逆変換である.

2つの反変ベクトルAi,Bj の積

  (32)
となるTij を2階の反変テンソルという.

2つの共変ベクトルAi,Bj の積

  (33)
となるTijを2階の特殊相対論的共変テンソルという.

反変ベクトルAi と共変ベクトルBi の積

  (34)
となるTij を2階の特殊相対論的混合テンソルという. さらに,任意の高階のテンソルを定義することができる.

ミンコフスキーの計量は

  (35)
で定義される.

クロネッカーのデルタは

  (36)
で定義される. ηij やηij を用いて共変ベクトルを反変ベクトルに, または反変ベクトルを共変ベクトルに変えることができる.

  (37)
テンソルの縮約
  (38)
スカラー積
  (39)
などはテンソル演算での約束である.

特殊相対論的共変な演算子とは,特殊相対論的共変なスカラーに演算すると, その演算結果も特殊相対論的共変なスカラーとなり, 特殊相対論的共変なベクトルに演算すると,その演算結果も特殊相対論的共変なベクトルとなり, 特殊相対論的共変なテンソルに演算すると,その演算結果も特殊相対論的共変なテンソルとなるような演算子をいう.
一例:

φが特殊相対論的共変なスカラーならば,□φも特殊相対論的共変なスカラーである.
Ai が特殊相対論的共変なベクトルならば,□Ai も特殊相対論的共変なベクトルである.
Tij が特殊相対論的共変なテンソルならば,□Tij も特殊相対論的共変なテンソルである.
□は特殊相対論的共変な演算子である.

再び式(26)に戻り,この式(26)を検討しよう. c を無限大としたときに,□はΔに近似するので,式(26)は式(22)に一致する. そのため,一見うまくいっているようだが, φが特殊相対論的共変なスカラーであるところに問題がある. 万有引力は2物体間の距離に関係した大きさで作用する. 一方,特殊相対性理論では2物体間の距離は座標系に依存する. つまり,φが座標系に依存する2物体間の距離の関数であるにもかかわらず, 特殊相対論的共変なスカラーであるとすると, 座標系に依存しない量でなければならなくなるので解釈がきわめて難解になる. どうしても,式(26)の形式で表現しようと思えば,距離概念の再考がせまられることになる. 例えば,単なる思いつきで書くと,距離を複素数とするなどの対策が必要であろう. 現時点では,これ以上の考察はできていない. なお,この考察から相対論的量子力学のクライン-ゴルドン方程式

  (40)
における振幅Ψは特殊相対論的スカラーであると解釈される.


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