能量条件
admin
2023-06-20 05:21:46
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能动张量在广义相对论中有举足轻重的地位,毕竟物质场的能动张量在决定着时空的弯曲(里奇张量)。然而什么样的能动张量是合理的,但从爱因斯坦方程来看,并没有做出要求,于是这成为了一个依赖于规定的东西。于是,本文就应用最广泛的几种对于能动张量的规定做一个简要介绍,这样的规定被称为能量条件

首先是最自然的弱能量条件,Weak Energy Condition(WEC)


其中 是任意观测者的4速。这个式子清晰地表示了能量密度的测量值非负。最特殊的情况是取随动参考系,即 ,后者是观测系统的4速。在理想流体情况下有(见Monsoon:相对论流体力学)


采用这种对角形式实际上也是已经引入了一个正交标架 。 的情况是观测者随流体一起运动,这个时候注意 ,有


实际上,在考虑到对角形式能动张量自带的标架以后,也可以直接认为随动状态下的坐标只有测量时 ,那么投影成为


这就是流体最基本的要求。但实际上,对于一般的情况,观测者不一定是随动的。传统的观点认为观测者应当是类时的(亚光速运动),我们将就上文的标架,构造类时的


其中 且 。这样就可以保证类时性


而此时


这说明这种情况下应力不能太负。如果我们激进一点,认为WEC适用于真正的任何观测者,包括类空(超光速运动),仍然会得到上述结论。所以上述结论是一个普适结论。

然后,如果我们将 限制为类光 ,也就是要求能量在类光方向非负,则


被称为零能量条件,Null Energy Condition,NEC

由于类光的要求,我们可以直接取


根据上文的讨论,直接有


这个结论我们已经得到过了,但是零能量条件也正是因为取的类光参考系,所以没法要求 。虽然看起来非常奇怪,不过我们可以作这样的理解,NEC是一个比WEC更弱的能量条件。

而接下来是一个比WEC更强的能量条件,它在WEC的基础上还对能流密度做出了要求


这称为主能量条件,Dominant Energy Condition,DEC

将能流密度带入WEC,得到


正是由于要求能流 非类空,即能量不会传播到光锥之外。在这种情况下,对于理想流体


看起来我们似乎可以把中括号里面的部分看作一个新的能动张量 ,然后依然采取标架来考虑它。那么对比WEC,有 ,那么


所以DEC在WEC的基础之上还要求了能量在数值上要大于应力。由于能量是时间分量,应力是空间分量,这样的要求也可以理解为能动张量中时间分量占主导地位,这也可能是DEC得名主能量条件的原因。

就像NEC一样,我们同样可以搞出一个NDEC(零主能量条件),只需要把类时参考系换成类光的。可想而知,它类似于NEC,这类由类光矢量定义的能量条件将对能量密度不再做要求,而只保留能量密度和应力的之间的关系。

最后是扎根于广义相对论的能量条件。由爱因斯坦方程给出


这种已经从对能动张量的要求,由爱因斯坦方程升级到对曲率的测量值要求的能量条件,称为强能量条件,Strong Energy Condition,SEC


这是一个非常强的能量条件,甚至给出了 和 在不等式中的比例关系。

这些能量条件给出了对于能动张量不同程度的限制,但由于考虑到量子效应以后,实际上所有的能量条件都可以被违反。所以当考虑的场或者物理情况相对宏观时,SEC都是可以接受的,可以假设SEC成立并证明各种定理。而在考虑一些粒子产生的场时,或者说量子化方案比较成熟的场来说,SEC就显得不是那么合适了,但DEC往往都是成立的,这应该是由于量子场仍然遵循因果律。

最后汇总一下本文提到的各种能量条件,在理想流体中的要求:

弱能量条件(WEC):


零能量条件(NEC):


主能量条件(DEC):


零主能量条件(DNEC) :


强能量条件(SEC):


这里提一句,可以看出,SEC和WEC的强弱都是依情况而定的。比如当应力为正的时候,SEC强度和NEC一样,都比WEC弱,只有当应力为负的时候,SEC才比WEC强。所以一般情况下,强能量条件都比弱能量条件弱。

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