equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
O 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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
A grandeza
equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
/
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / 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] ] = |
é o vetor de Poynting,
equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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.
A 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 1 / / / / 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] ] = |
e na forma de matriz explícita:
equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
onde o vetor de Poynting se torna:
equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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
1 / / / /
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] ] = |
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
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 1 / / / / 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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
descrevendo respectivamente o fluxo de densidade de energia eletromagnética
equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
e densidade de momento eletromagnético
equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
onde J é a densidade de corrente elétrica, ρ 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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
Esta definição implica que o campo electromagnético satisfaz
equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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 eletromagnético, i.e. se o tensor momento-energia eletromagnético
equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
é usado, então as equações de campo de Einstein são chamadas equações Einstein-Maxwell:
equação tensorial de sistema dinâmico estatístico quântico 1 / / / / G [DR] = .= + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
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