Поле Киллинга

Разделы:

Поле Киллинга — векторное поле скоростей (локальной) однопараметрической группы движений риманова или псевдориманова многообразия.Другими словами, поток, который генерируется векторным полем Киллинга, задает непрерывное однопараметрическое семейство движений многообразия, то есть преобразований, относительно которых метрический тензор остается инвариантным.В частности, если метрический тензор gμν{displaystyle g_{mu nu }} $g_{mu nu }$ в некоторой системе не зависит от одной из координат xμ{displaystyle x^{mu }} $x^{mu }$ , тогда векторное поле вдоль этой координаты e^μ(x)≡∂μ{displaystyle {hat {e}}_{mu }(x)equiv partial _{mu }} ${displaystyle {hat {e}}_{mu }(x)equiv partial _{mu }}$ будет полем Киллинга.

Векторы Киллинга в физике указывают на симметрию физической модели и помогают найти сохраняющиеся величины, такие как энергия, импульс или спин. В теории относительности, например, если метрический тензор не зависит от времени, то в пространстве-времени существует времениподобный вектор Киллинга, с которым связана сохраняющаяся величина — энергия гравитационного поля.

Название дано в честь немецкого математика Вильгельма Киллинга (Wilhelm Killing), открывшего группы Ли и многие их свойства параллельно с Софусом Ли.

Содержание

1 Определение
2 Свойства
3 Примеры
4 Вариации и обобщения
5 См. также

Определение

Векторное поле X{displaystyle X}

$X$ на M{displaystyle M} $M$ называется полем Киллинга если оно удовлетворяет следующему уравнению:

LXg=0,{displaystyle {mathcal {L}}_{X}g=0,}

{displaystyle {mathcal {L}}_{X}g=0,}

где LX{displaystyle {mathcal {L}}_{X}}

${displaystyle {mathcal {L}}_{X}}$ — производная Ли по направлению X{displaystyle X} $X$ , a g{displaystyle g} $g$ — риманова метрика на M{displaystyle M} $M$ .

Это уравнение можно переписать через связность Леви-Чивита:

g(∇YX,Z)+g(Y,∇ZX)=0{displaystyle g(nabla _{Y}X,Z)+g(Y,nabla _{Z}X)=0}

{displaystyle g(nabla _{Y}X,Z)+g(Y,nabla _{Z}X)=0}

для любых полей Y{displaystyle Y}

$Y$ и Z{displaystyle Z} $Z$ .

В терминах локальных координат:

∇iXj+∇jXi=0.{displaystyle nabla _{i}X_{j}+nabla _{j}X_{i}=0.}

{displaystyle nabla _{i}X_{j}+nabla _{j}X_{i}=0.}

Свойства

Векторное поле X{displaystyle X} $X$ является полем Киллинга тогда и только тогда, когда сужение X{displaystyle X} $X$ на любую геодезическую является полем Якоби.
Для задания поля Киллинга достаточно указать его значение, плюс значения всех его (ковариантных) производных первого порядка, всего в одной точке. Из этой точки векторное поле может быть продолжено на все многообразие.
Скобка Ли, или коммутатор двух полей Киллинга дает опять поле Киллинга. Таким образом, поля Киллинга образуют подалгебру бесконечномерной алгебры Ли всех (дифференцируемых) векторных полей на многообразии. Эта подалгебра является алгеброй Ли группы движений многообразия.
Линейная комбинация полей Киллинга тоже является полем Киллинга.
- Иллюстрация сложения полей Киллинга на плоскости. Поле вращений вокруг начала координат + поле параллельного переноса вдоль оси y = поле вращений вокруг центра, смещенного относительно начала координат вдоль оси x:
  
  Все три поля являются полями движений плоскости.
Если кривизна Риччи компактного многообразия отрицательна то на нём нет нетривиальных (то есть не равных тождественно нулю) полей Киллинга .
Если секционная кривизна компактного многообразия положительная и размерность чётная, то поле Киллинга должно иметь нуль.

Примеры

На евклидовой плоскости существует три линейно независимых поля Киллинга
ξ1=ex{displaystyle xi _{1}=mathbf {e} _{x}} ${displaystyle xi _{1}=mathbf {e} _{x}}$ , ξ2=ey{displaystyle xi _{2}=mathbf {e} _{y}} ${displaystyle xi _{2}=mathbf {e} _{y}}$ , ξ3=−xey+yex{displaystyle xi _{3}=-xmathbf {e} _{y}+ymathbf {e} _{x}} ${displaystyle xi _{3}=-xmathbf {e} _{y}+ymathbf {e} _{x}}$

Первые два поля Киллинга отвечают однопараметрическим подгруппам сдвигов вдоль осей x{displaystyle x}

x

и y{displaystyle y}

y

, а последнее — подгруппе вращений вокруг начала координат. Различные комбинации из этих трех подгрупп исчерпывают всевозможные движения плоскости.

В трёхмерном евклидовом пространстве R3{displaystyle mathbb {R} ^{3}} $mathbb {R} ^{3}$ существует шесть линейно независимых полей Киллинга:

ξx=ex{displaystyle xi _{x}=mathbf {e} _{x}}

{displaystyle xi _{x}=mathbf {e} _{x}}

, ξy=ey{displaystyle xi _{y}=mathbf {e} _{y}}

{displaystyle xi _{y}=mathbf {e} _{y}}

, ξy=ey{displaystyle xi _{y}=mathbf {e} _{y}}

{displaystyle xi _{y}=mathbf {e} _{y}}

ζx=−yez+zey{displaystyle zeta _{x}=-ymathbf {e} _{z}+zmathbf {e} _{y}}

{displaystyle zeta _{x}=-ymathbf {e} _{z}+zmathbf {e} _{y}}

ζy=−zex+xez{displaystyle zeta _{y}=-zmathbf {e} _{x}+xmathbf {e} _{z}}

{displaystyle zeta _{y}=-zmathbf {e} _{x}+xmathbf {e} _{z}}

ζz=−xey+yex{displaystyle zeta _{z}=-xmathbf {e} _{y}+ymathbf {e} _{x}}

{displaystyle zeta _{z}=-xmathbf {e} _{y}+ymathbf {e} _{x}}

Последние три поля ζx{displaystyle zeta _{x}} ${displaystyle zeta _{x}}$ , ζy{displaystyle zeta _{y}} ${displaystyle zeta _{y}}$ и ζz{displaystyle zeta _{z}} ${displaystyle zeta _{z}}$ являются также полями Киллинга на сфере S2{displaystyle mathbf {S} ^{2}} ${displaystyle mathbf {S} ^{2}}$ (это становится очевидным если рассматривать ее погруженной в трехмерное пространство).
Однолистный гиперболоид, задаваемый уравнением x2+y2−z2=1{displaystyle x^{2}+y^{2}-z^{2}=1} ${displaystyle x^{2}+y^{2}-z^{2}=1}$ , погруженный в пространство Минковского с метрикой ds2=dx2+dy2−dz2{displaystyle ds^{2}=dx^{2}+dy^{2}-dz^{2}} ${displaystyle ds^{2}=dx^{2}+dy^{2}-dz^{2}}$ , имеет три линейно независимых поля Киллинга, подобных полям Киллинга на сфере:

ζx=yez+zey{displaystyle zeta _{x}=ymathbf {e} _{z}+zmathbf {e} _{y}}

{displaystyle zeta _{x}=ymathbf {e} _{z}+zmathbf {e} _{y}}

ζy=zex+xez{displaystyle zeta _{y}=zmathbf {e} _{x}+xmathbf {e} _{z}}

{displaystyle zeta _{y}=zmathbf {e} _{x}+xmathbf {e} _{z}}