equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



1 /     /  / /

 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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tensor de energia-momento, também chamado tensor energia-impulso é uma quantidade tensorial em relatividade. Descreve o fluxo de energia e momento e satisfaz a equação de continuidade:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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A grandeza



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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sobre uma seção de tipo espaço dá o quadrivetor energia-momento ou quadrimomento. Este tensor é a corrente de Noether associada às translações no espaço-tempo. Na relatividade geral, esta grandeza atua como a fonte do curvatura do espaço-tempo, e é a densidade de corrente associada às transformações de gauge (neste caso transformações de coordenadas) pelo teorema de Noether. Ainda que, no espaço-tempo curvado, a integral de tipo espaço depende da seção de tipo espaço, em geral. Não há de fato maneira de definir um vetor global de energia-momento num espaço-tempo curvado em geral.

Tensores relacionados

A parte tridimensional do tensor energia-momento coincide com o tensor tensão da mecânica de meios contínuos.

Exemplos



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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Na física relativística, o tensor eletromagnético tensão–energia é a contribuição para o tensor tensão–energia devido ao campo eletromagnético.[1] O tensor tensão–energia descreve o fluxo de energia e momento no espaço-tempo. O tensor eletromagnético de tensão–energia contém o negativo do tensor de tensão de Maxwell clássico que governa as interações eletromagnéticas.

Definição

Unidades do S.I.

No espaço livre e no espaço-tempo plano, o tensor eletromagnético tensão–energia em unidades do S.I. é:[2]



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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onde  é o tensor eletromagnético e onde  é o tensor métrico de Minkowski [en] de assinatura métrica (− + + +). Ao usar a métrica com assinatura (+ − − −), a expressão à direita do sinal de igual terá sinal oposto.

Explicitamente em forma de matriz:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



/

onde



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



1 /     /  / /

 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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é o vetor de Poynting,



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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é o tensor de tensão de Maxwell e c é a velocidade da luz. Assim,  é expresso e medido em unidades de pressão do S.I. (pascal).

Convenções de unidades C.G.S.

permissividade do espaço livre e a permeabilidade do espaço livre em unidades gaussianas [en] c.g.s. são:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



/

então:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



1 /     /  / /

 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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e na forma de matriz explícita:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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onde o vetor de Poynting se torna:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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O tensor tensão-energia para um campo eletromagnético em um meio dielétrico é menos bem compreendido e é o assunto da controvérsia não resolvida de Abraham – Minkowski.[3]

O elemento  do tensor tensão-energia representa o fluxo do μ-ésimo componente do quadrimomento do campo eletromagnético, , passando por um hiperplano ( é constante ). Representa a contribuição do eletromagnetismo para a fonte do campo gravitacional (curvatura do espaço-tempo) na relatividade geral.

Propriedades algébricas

O tensor eletromagnético tensão-energia tem várias propriedades algébricas:


  • É um tensor simétrico:

    equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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     G  [DR] =            .  

    +  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



    /

  • O tensor  não tem traços:

    equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



    1 /     /  / /

     G  [DR] =            .  

    +  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



    /


equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



1 /     /  / /

 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



/
Prova

Usando a forma explícita do tensor,

Baixando os índices e usando o fato de que

Então, usando

,

Observe que no primeiro termo, μ e α e apenas índices fictícios, então os renomeamos como α e β, respectivamente.

A simetria do tensor é como para um tensor tensão–energia geral na relatividade geral. O traço do tensor energia–momento é um escalar de Lorentz; o campo eletromagnético (e em particular as ondas eletromagnéticas) não tem escala de energia invariante de Lorentz, então seu tensor de energia-momento deve ter um traço de fuga. Essa ausência de traços eventualmente se relaciona com a falta de massa do fóton.[4]

Leis de conservação

Ver artigo principal: Leis de conservação

O tensor eletromagnético tensão–energia permite uma maneira compacta de escrever as leis de conservação de energia e de momento linear no eletromagnetismo. A divergência do tensor tensão–energia é:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



/

onde  é a força de Lorentz (4D) por unidade de volume na matéria.

Esta equação é equivalente às seguintes leis de conservação 3D



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



/

descrevendo respectivamente o fluxo de densidade de energia eletromagnética



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



/

e densidade de momento eletromagnético



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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onde J é a densidade de corrente elétricaρ a densidade de carga elétrica e  é a densidade de força de Lorentz.







Na física, as equações de Maxwell no espaço-tempo curvo governam a dinâmica do campo eletromagnético no espaço-tempo curvo [1] (onde a métrica não pode ser a métrica de Minkowski) ou quando se usa um sistema , não necessariamente cartesiano, arbitrário de coordenadas. Estas equações podem ser vistas como uma generalização das equações de Maxwell, que são normalmente formuladas nas coordenadas locais[nota 1] do espaço-tempo plano. Entretanto porque a relatividade geral dita que a presença de campos eletromagnéticos (ou energia/matéria em geral) induzem curvatura do espaço-tempo, as equações de Maxwell no espaço-tempo plano devem ser vistas como uma aproximação.

Campo electromagnético

O campo electromagnético[2] é um tensor antissimétrico covariante de classe 2,[3] que pode ser definido em termos de potencial electromagnético por



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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Para verificar que esta equação é invariante, podemos transformar as coordenadas (tal como descrito no tratamento clássico de tensores)



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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Esta definição implica que o campo electromagnético satisfaz



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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que incorpora a lei de indução de Faraday e lei de Gauss[4] para o magnetismo. Isto é demonstrado por



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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Embora parece ter 64 equações em Faraday-Gauss, elas realmente reduzem-se a apenas quatro equações independentes .[5] Utilizando a antisimetria do campo electromagnético pode-se reduzir a uma identidade (0 = 0) ou tornar redundante todas as equações, com excepção para aqueles com λ, μ, ν = 1,2,3; ou 2,3,0; ou 3,0,1; ou 0,1,2.

A equação de Faraday-Gauss é por vezes escrita



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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onde o ponto e vírgula indica uma derivada covariante, vírgula indica uma derivada parcial, e colchetes indicam anti-simetrização (Veja Gregorio Ricci-Curbastro).[6] A derivada covariante do campo eletromagnético é



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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onde Γαβ γ é o símbolo de Christoffel que é simétrico em seus índices mais baixos.






A equação do campo de Einstein descreve como o espaço-tempo se curva pela matéria e, reciprocamente, como a matéria é influenciada pela curvatura do espaço-tempo, ou digamos, como a curvatura dá lugar à gravidade.

A equação do campo se apresenta como se segue:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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onde o tensor  é a curvatura de Einstein, uma equação diferencial de segunda ordem em termos do tensor métrico , e  é o tensor de energia-momento. A constante de acoplamento se dá em termos de  é Pi é a velocidade da luz e  é a constante gravitacional.

O tensor da curvatura de Einstein se pode escrever como



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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onde além disso  é o tensor de curvatura de Ricci é o escalar de curvatura de Ricci e  é a constante cosmológica.

A equação do campo portanto também pode apresentar-se como se segue:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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 é um tensor simétrico 4 x 4, assim que tem 10 componentes independentes. Dada a liberdade de escolha das quatro coordenadas do espaço-tempo, as equações independentes se reduzem em número a 6.

Estas equações são a base da formulação matemática da relatividade geral.

Interpretacão geométrica da Equação de Einstein


A Teoria da relatividade mostra que a massa dos corpos depende do observador, pois esta varia com sua velocidade aparente, tal como no conceito de simultaneidade, e portanto também o espaço que se observa (formado por todos os eventos simultâneos). Assim, a equação de Einstein pode enunciar-se também afirmando que para cada observador, a curvatura escalar  do espaço é proporcional à densidade aparente :



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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onde c = 3 × 1010 [cm s-1] é a velocidade da luz e G = 6,67 × 10-8 [cm³ s-2 g-1] é a constante da gravitação universal. De acordo com o significado geométrico da curvatura escalar, esta igualdade afirma que em uma esfera de massa M e densidade constante, o excesso radial (a diferença entre o raio real e o raio que corresponderia na geometria euclidiana a uma esfera de igual área) é igual a



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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Por exemplo, no caso da Terra o excesso radial é de 0,15 cm e no caso do Sol é de aproximadamente 500 metros.

É notável que, esta equação, que introduz mínimas correções nas fórmulas da geometria euclidiana, atinja quase todas as equações conhecidas da Física macroscópica. Com efeito, quando a velocidade da luz c tende ao infinito, dela se derivam a Lei newtoniana da Gravitação, a Equação de Poisson e, portanto, o caráter atrativo das forças gravitacionais, as equações da mecânica dos fluidos (equação de continuidade e equações de Euler), as leis de conservação da massa-energia e do momento, o caráter euclidiano do espaço, etc..

Igualmente se derivam todas as leis de conservação relativísticas, e que a existência de campos gravitacionais e de massa só são possíveis quando o espaço tem dimensão maior que 2. Mais ainda, se supõe que o espaço tem dimensão 4 (as três que vemos habitualmente mais uma pequeníssima dimensão circular extra, aproximadamente do tamanho do chamado comprimento de Planck ~  cm) da equação de Einstein se deduzem a teoria clássica do electromagnetismo: as equações de Maxwell e, portanto, a lei de Coulomb, a Conservação da carga elétrica e a lei de Lorentz.

Equações de Einstein-Maxwell

Se o tensor energia-momento  é aquele de um campo eletromagnéticoi.e. se o tensor momento-energia eletromagnético



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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é usado, então as equações de campo de Einstein são chamadas equações Einstein-Maxwell:



equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico



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 G  [DR] =            .  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  



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