附录C-共形变换
Fu-Ming Chang Lv2

动机:理论上对时空的变换不能消除时空的奇点,但是我们可以将奇点的位置进行移动,确保在奇点在有限的位置,使得整个时空结构变得一目了然。共形变换不是坐标变换,但是他所导致的几何的改变实现了这种要求,参见【共形图】。

共形变换是局域的放缩变换。因为时空的距离是通过度规定义的,所以共形变换可以看作是对度规乘以一个时空依赖的函数:

gˉμν=ω2(x)gμν    ds2=ω2(x)ds2,(ω(x)0,xxμ)(1)\bar{g}_{\mu\nu}=\omega^2(x)g_{\mu\nu}\iff \overline{ds}^2=\omega^2(x)ds^2,(\omega(x)\neq0,x\triangleq x^{\mu})\tag{1}

同时gˉμν=ω2(x)gμν\bar{g}^{\mu\nu}=\omega^{-2}(x)g^{\mu\nu},共形变换的逆变换为gμν=ω2(x)gˉμνg_{\mu\nu}=\omega^{-2}(x)\bar{g}_{\mu\nu}。可以看出:对于时空中的null的曲线xμ(λ)x^{\mu}(\lambda),在共形变换下是不变的。也就是说,曲线xμx^\mu对于度规gμνg_{\mu\nu}是null,那么对于度规gˉμν\bar{g}_{\mu\nu}也是null的。我们知道,如果曲线xμ(λ)x^\mu(\lambda)是null等价于它的切矢量dxμ/dλdx^\mu/d\lambda是null的,

gμνdxμdλdxνdλ=0(2)g_{\mu\nu}\frac{dx^\mu}{d\lambda}\frac{dx^\nu}{d\lambda}=0\tag{2}

在共形变换下,

gˉμνdxμdλdxνdλ=ω2(x)gμνdxμdλdxνdλ=0(3)\bar{g}_{\mu\nu}\frac{dx^\mu}{d\lambda}\frac{dx^\nu}{d\lambda}=\omega^2(x)g_{\mu\nu}\frac{dx^\mu}{d\lambda}\frac{dx^\nu}{d\lambda}=0\tag{3}

因此对于类光曲线,在某一个度规下是类光的,任意共形相关度规的定义下都是类光的。我们可以说共形变换保证光锥不变(共形变换是保角变换的一种,保证两个4-矢量间的角度不变)

接下来考虑几何量在共形变换下如何改变。共形变换不是坐标的改变,【事实上是几何的改变——gˉμν\bar{g}_{\mu\nu}的类时测地线,比如,gμνg_{\mu\nu}的类时测地线不同于gˉμν\bar{g}_{\mu\nu}的类时测地线】。同时,我们可以使用共形变换来改变动力学变量:任意有关gμνg_{\mu\nu}的函数都可以被等价的写成gˉμν\bar{g}_{\mu\nu}ω(x)\omega(x)的函数。这样的操作被称为在共形坐标系中表达几何量。

首先,我们考虑克氏符Γμνρ=1/2gρσ(μgνσ+νgσμσgμν)\Gamma^\rho_{\mu\nu}=1/2g^{\rho\sigma}(\partial_\mu g_{\nu\sigma}+\partial_\nu g_{\sigma\mu}-\partial_\sigma g_{\mu\nu}),它与逆度规以及度规的导数是线性的,那么考虑共形变换(1)可得,

Γμνρ=12ω2gˉρσ(μ(ω2gˉνσ)+ν(ω2gˉσμ)σ(ω2gˉμν))=12gˉρσ(μgˉνσ+νgˉσμσgˉμν)+12ω2gˉρσ(gˉνσμω2+gˉσμνω2gˉμνσω2)=Γˉμνρω1(δνρμω+δμρνωgρσgμνσω)(4)\begin{aligned} \Gamma^{\rho}_{\mu\nu}&=\frac{1}{2}\omega^2\bar{g}^{\rho\sigma}(\partial_\mu (\omega^{-2}\bar{g}_{\nu\sigma})+\partial_\nu (\omega^{-2}\bar{g}_{\sigma\mu})-\partial_\sigma (\omega^{-2}\bar{g}_{\mu\nu}))\\ &=\frac{1}{2}\bar{g}^{\rho\sigma}(\partial_\mu\bar{g}_{\nu\sigma}+\partial_\nu\bar{g}_{\sigma\mu}-\partial_\sigma\bar{g}_{\mu\nu})+\frac{1}{2}\omega^2\bar{g}^{\rho\sigma}(\bar{g}_{\nu\sigma}\partial_\mu\omega^{-2}+\bar{g}_{\sigma\mu}\partial_\nu\omega^{-2}-\bar{g}_{\mu\nu}\partial_\sigma\omega^{-2})\\ &=\bar{\Gamma}^\rho_{\mu\nu}-\omega^{-1}(\delta^\rho_\nu\nabla_\mu\omega+\delta^\rho_\mu\nabla_\nu\omega-g^{\rho\sigma}g_{\mu\nu}\nabla_\sigma\omega) \end{aligned}\tag{4}

C1μνρ=ω1(δνρμω+δμρνωgρσgμνσω)(5)C^\rho_{\phantom{1}\mu\nu}=\omega^{-1}(\delta^\rho_\nu\nabla_\mu\omega+\delta^\rho_\mu\nabla_\nu\omega-g^{\rho\sigma}g_{\mu\nu}\nabla_\sigma\omega)\tag{5}

可以看出C1μνρC^\rho_{\phantom{1}\mu\nu}是一个张量,同时

Γˉμνρ=Γμνρ+C1μνρ(6)\bar{\Gamma}^\rho_{\mu\nu}=\Gamma^\rho_{\mu\nu}+C^\rho_{\phantom{1}\mu\nu}\tag{6}

同理可得黎曼张量在共形变换下为,

Rˉ1σμνρ=R1σμνρ+μC1νσρνCμσρ+C1μλρC1νσλC1νλρC1μσλ(7)\bar{R}^\rho_{\phantom{1}\sigma\mu\nu}=R^\rho_{\phantom{1}\sigma\mu\nu}+\nabla_\mu C^\rho_{\phantom{1}\nu\sigma}-\nabla_\nu C^\rho_{\mu\sigma}+C^\rho_{\phantom{1}\mu\lambda}C^{\lambda}_{\phantom{1}\nu\sigma}-C^\rho_{\phantom{1}\nu\lambda}C^\lambda_{\phantom{1}\mu\sigma}\tag{7}

曲率张量为,

Rˉσν=Rσν+μC1νσμνC1μσμ+C1μλμC1νσλC1νλμC1μσλ(8)\bar{R}_{\sigma\nu}=R_{\sigma\nu}+\nabla_\mu C^\mu_{\phantom{1}\nu\sigma}-\nabla_\nu C^\mu_{\phantom{1}\mu\sigma}+C^\mu_{\phantom{1}\mu\lambda}C^{\lambda}_{\phantom{1}\nu\sigma}-C^\mu_{\phantom{1}\nu\lambda}C^\lambda_{\phantom{1}\mu\sigma}\tag{8}

标曲率为,

Rˉ=ω2R2(n1)gαβω3(αβω)(n1)(n4)gαβω4(αω)(βω)(9)\bar{R}=\omega^{-2}R-2(n-1)g^{\alpha\beta}\omega^{-3}(\nabla_\alpha\nabla_\beta\omega)-(n-1)(n-4)g^{\alpha\beta}\omega^{-4}(\nabla_\alpha\omega)(\nabla_\beta\omega)\tag{9}