V matematice je metrický tenzor (nebo krátce metrika) tenzorové pole druhého řádu na hladké varietě, které umožňuje definovat délky křivek, velikosti ploch a objemů, úhly mezi vektory a další geometrické vlastnosti prostoru.

Metrický tenzor přiřazuje v každém bodě variety dvojici vektorů z tečného prostoru reálné číslo a tím určuje její lokální geometrickou strukturu.

Metrický tenzor je základním objektem riemannovské a pseudo-riemannovské geometrie. V obecné teorii relativity popisuje geometrii časoprostoru.

Definice

Metrickým tenzorem (nebo krátce metrikou) v bodě se rozumí symetrický nedegenerovaný tenzor typu .

Je-li metrika vyjádřena složkami , pak musí splňovat podmínky

(symetrie)

a pro každý

(nedegenerovanost)

pro každý vektor .

Nedegenerovanost zaručuje, že metrika jednoznačně převádí vektory na kovektory a že neexistuje nenulový vektor kolmý na všechny ostatní vektory tečného prostoru.

Metrická forma

Metrický tenzor určuje na hladké varietě tzv. metrickou formu neboli element délky. V souřadnicích má tvar

kde jsou složky metrického tenzoru a je použita Einsteinova sumační konvence.

Výraz představuje kvadrát infinitesimální délky mezi dvěma nekonečně blízkými body variety. Metrická forma umožňuje určovat délky křivek, velikosti vektorů, úhly mezi vektory a další geometrické vlastnosti prostoru.

Signatura metriky

Metrický tenzor lze v každém bodě variety vhodnou volbou báze převést na diagonální tvar. Počet kladných, záporných a nulových členů na diagonále se nazývá signatura metriky. Tento počet nezávisí na volbě báze a představuje invariantní vlastnost metriky.

V riemannovské geometrii je metrika kladně definitní a její signatura má tvar

V pseudo-riemannovské geometrii může metrika obsahovat kladná i záporná vlastní čísla. Zvláštním případem je lorentzovská metrika, používaná v obecné teorii relativity, jejíž signatura se obvykle zapisuje jako

nebo ekvivalentně

Riemannovské a lorentzovské metriky

Riemannovské metriky jsou pozitivně definitní a umožňují definovat skalární součin, velikost vektorů, úhly a délky křivek obdobně jako v eukleidovském prostoru.

Lorentzovské metriky mají jednu časovou a několik prostorových dimenzí. Na rozdíl od riemannovských metrik umožňují rozlišovat časupodobné, prostorupodobné a nulové směry, čímž určují kauzální strukturu časoprostoru.

Skalární součin

Riemannovská metrika umožňuje definovat skalární součin dvou vektorů a z tečného prostoru jako

V souřadnicovém vyjádření lze skalární součin zapsat ve tvaru

kde jsou složky metrického tenzoru a je použita Einsteinova sumační konvence.

Skalární součin je symetrický, protože a lineární v každém ze svých argumentů. Pomocí metrického tenzoru lze určovat velikosti vektorů, úhly mezi nimi a další geometrické vlastnosti variety.

Velikost a úhel vektorů

Pomocí metrického tenzoru lze definovat velikost vektoru vztahem

Jsou-li a dva nenulové vektory, lze úhel mezi nimi definovat pomocí vztahu

Tyto vztahy jsou přímo zobecněním známých vzorců z eukleidovského prostoru na obecnou riemannovskou varietu.

Délka křivky

Je-li křivka zadána parametricky ve tvaru

pak její délka mezi body odpovídajícími parametrům a je dána vztahem

Integrand představuje velikost tečného vektoru ke křivce. V eukleidovském prostoru se tento vztah redukuje na obvyklý vzorec pro výpočet délky křivky.

Kauzální struktura

Je-li metrika lorentzovské signatury pak výraz

umožňuje rozlišovat tři typy vektorů:

|| vektor je časupodobný

|| vektor je nulový (nebo světelný)

|| vektor je prostorupodobný

Toto rozdělení je základem kauzální struktury časoprostoru a umožňuje rozlišovat směry, kterými se mohou šířit hmotné částice a elektromagnetické záření.

Všechny nulové vektory v daném bodě vytvářejí světelný kužel, který odděluje časupodobné a prostorupodobné směry.

Zvyšování a snižování indexů

Metrický tenzor umožňuje převádět kontravariantní složky vektorů na kovariantní a naopak. Tento proces se označuje jako snižování a zvyšování indexů.

Jsou-li dány kontravariantní složky vektoru , pak odpovídající kovariantní složky jsou určeny vztahem

Naopak pomocí inverzního metrického tenzoru , který splňuje , kde je Kroneckerovo delta, lze index opět zvýšit:

Metrický tenzor tak vytváří přirozené zobrazení mezi tečným prostorem a jeho duálním prostorem.

Odkazy Reference

Literatura

Související články Tenzor Signatura metriky Tečný prostor

Kategorie:Riemannova geometrie