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【相対論】Newman-Penrose formalism 1

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相対論∩スピン幾何

 Newman-Penrose formalismについて説明します。NP formalismとは4次元時空の計量的性質を12個の関数γ,ν,ϵ,π,β,μ,α,λ,τ,κ,σ,ρを使って計算する技法です。Maxwell方程式やEinstein方程式などもこれらの関数で書くことができますが、汚いです。しかしNP技法の考え方は単純です。

 時空(M,g)は4次元かつSpin多様体とします。

この記事で使うfactとconvention

Weylスピノルとnullベクトル
Dirac spinorが作るベクトル
の知識を使うので以下のまとめます。

σi:Pauli行列
σ0=I2
γμ:Gamma行列(chiral表現)

S=S+S:4次元Lorentzのスピノル空間
Weylスピノル:S±の元
(V,g):(1,3)型の擬Euclid空間
g=diag(1,1,1,1)(添え字の上げ下げはすべてgで行う)

Majorana form
(ψ,ϕ):=tψCϕ, C=(iσ200iσ2), iσ2=(0110)

charge conjugate
ψc=Bψ
B=(0iσ2iσ20)

(Xψ,ϕ)=(ψ,Xϕ), (ψ,ϕ)=(ϕ,ψ)(ψ,ϕ)=(ψc,ϕc)(ϕ,Mψ)(α,Nβ)=(ϕ,eAβ)(α,NeAMψ), ϕ,ψ,α,βS, M,NCl(4)

uS±に対して、k=a(uc,γau)eaはnullベクトルである。

(uc,γau)(vc,γav)=8|(u,v)|2, u,vS+

Weylスピノルとnull tetrad

 4次元時空(M,g)の独立なWeylスピノルu,v(u,v)が定数となるものを一組選び固定します。このとき次の4つのベクトル場を定義します。
k=(uc,γau)eal=(vc,γav)eam=(vc,γau)eam¯=(uc,γav)ea

 このとき{k,l,m,m¯}はnull tetradとなります。すなわち次が成り立ちます。

{k,l,m,m¯}は、(u,v)を適当に選べば
g(k,l)=1,g(m,m¯)=1,g(else)=0
となる。

g(k,l)=(uc,γau)(vc,γav)=8|(u,v)|2なので、g(k,l)=1となるようにrescaleすればよい。
さらにこのとき
g(m,m¯)=(vc,γau)(uc,γav)=(vc,γau)(v,γauc)=(vc,eAuc)(v,γaeAγau) ( γaebcγa=0)=(vc,uc)(v,γaγau)(vc,zuc)(v,γazγau)=4(v,u)(v,u)+(vc,zuc)(v,γaγazu)=4|(v,u)|24(vc,iuc)(v,iu)=4|(v,u)|24(vc,uc)(v,u)=4|(v,u)|2+4(v,u)(v,u)=8|(v,u)|2=1
となる。
また
g(k,m)=(uc,γau)(v,γauc)=(uc,eAuc)(vc,γaeAγau)=0g(m,m)=(vc,γau)(vc,γau)=(vc,γau)(u,γavc)=(vc,eAvc)(u,γaeAγau) ( γaebcγa=0)=(vc,vc)(v,γaγau)+(vc,zvc)(u,γazγau)=0
となる。

Weylスピノルと共変微分

 u,v{k,l,m,m¯}に関する共変微分を以下のように定義します。

lv=γvνu ,kv=ϵvπumv=βvμu ,m¯v=αvλulu=τvγu ,ku=κvϵumu=σvβu ,m¯u=ρvαu

 これら12個の関数γ,ν,ϵ,π,β,μ,α,λ,τ,κ,σ,ρによりu,vの微分幾何学的性質は原理的には決定されます。

null tetradの共変微分

 さらにu,vから作られたnull tetrad{k,l,m,m¯}の微分幾何学的性質も原理的には12個の関数で記述できます。null tetradと12個の関数との関係は以下で与えられます。  

κ=g(kk,m)ν=g(ll,m¯)ρ=g(m¯k,m)μ=g(ml,m¯)σ=g(mk,m)λ=g(m¯l,m¯)τ=g(lk,m)π=g(kl,m¯)2ϵ=g(kk,l)g(km,m¯)2γ=g(ll,k)+g(lm¯,m)2β=g(mk,l)g(mm,m¯)2α=g(m¯l,k)+g(m¯m¯,m)

以下の計算から従う。
kka=(kuc,γau)+(uc,γaku)=(κ¯vcϵ¯uc,γau)+(uc,κγavϵγau)=κ¯(vc,γau)ϵ¯(uc,γau)+κ(uc,γav)ϵ(uc,γau)=κ¯maϵ¯kaκm¯aϵka
km=(kvc,γau)+(vc,γaku)=(ϵ¯vcπ¯uc,γau)+(vc,γa(κvϵu))=ϵ¯mπ¯k+κlϵm
lla=(lvc,γav)+(vc,γalv)=(γ¯vcν¯uc,γav)+(vc,γvνu)=γ¯laν¯m¯+γlνmlm¯=(luc,γav)+(uc,γalv)=(τ¯vcγ¯uc,γav)+(uc,γa(γvνu))=τ¯laγ¯m¯+γm¯νka
m¯k=(m¯uc,γau)+(uc,γam¯u)=(ρ¯vcα¯uc,γau)+(uc,γa(ρvαu))=ρ¯maα¯ka+ρm¯aαka
mla=(mvc,γav)+(vc,γamv)=(β¯vcμ¯uc,γav)+(vc,γa(βvμu))=β¯lμ¯m¯+βlaμma
mka=(muc,γau)+(uc,γamu)=(σ¯vcβ¯uc,γau)+(uc,γa(σvβu))=σ¯maβ¯ka+σm¯aβk

mm=(mvc,γau)+(vc,γamu)=(β¯vcμ¯uc,γau)+(vc,γa(σvβu))=β¯mμ¯k+σlβm
m¯la=(m¯vc,γav)+(vc,γam¯v)=(α¯vcλ¯uc,γav)+(vc,γa(αvλu))=α¯laλ¯m¯+αlaλma
m¯m¯=(m¯uc,γav)+(uc,γam¯v)=(ρ¯vcα¯uc,γav)+(uc,γa(αvλu))=ρ¯lα¯m¯+αm¯λk
lka=(luc,γau)+(uc,γalu)=(τ¯vcγ¯uc,γau)+(uc,γa(τvγu))=τ¯mγ¯ka+τm¯γka
kl=(kvc,γav)+(vc,γakv)=(ϵ¯vcπ¯uc,γav)+(vc,γa(ϵvπu))=ϵ¯laπ¯m¯+ϵlaπma

 これにより時空の接バンドル、余接バンドルやそのテンソル積バンドルに関するいろいろな量を計算することができます。

投稿日:2023106
更新日:11
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Submersion
Submersion
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専門は相対論やLorentz幾何です。Einstein系の厳密解の構成や接触幾何の応用などの研究をしています。Ph.D保有者の中ではクソ雑魚の部類です。

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