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,x≜xμ)(1)
同时gˉμν=ω−2(x)gμν,共形变换的逆变换为gμν=ω−2(x)gˉμν。可以看出:对于时空中的null的曲线xμ(λ),在共形变换下是不变的。也就是说,曲线xμ对于度规gμν是null,那么对于度规gˉμν也是null的。我们知道,如果曲线xμ(λ)是null等价于它的切矢量dxμ/dλ是null的,
gμνdλdxμdλdxν=0(2)
在共形变换下,
gˉμνdλdxμdλdxν=ω2(x)gμνdλdxμdλdxν=0(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的类时测地线,比如,gμν的类时测地线不同于gˉμν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gμν的函数都可以被等价的写成gˉμν和ω(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+∂νgσμ−∂σgμν),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=21ω2gˉρσ(∂μ(ω−2gˉνσ)+∂ν(ω−2gˉσμ)−∂σ(ω−2gˉμν))=21gˉρσ(∂μgˉνσ+∂νgˉσμ−∂σgˉμν)+21ω2gˉρσ(gˉνσ∂μω−2+gˉσμ∂νω−2−gˉμν∂σω−2)=Γˉμνρ−ω−1(δνρ∇μω+δμρ∇νω−gρσgμν∇σω)(4)
记
C1μνρ=ω−1(δνρ∇μω+δμρ∇νω−gρσgμν∇σω)(5)
可以看出C1μνρ是一个张量,同时
Γˉμνρ=Γμνρ+C1μνρ(6)
同理可得黎曼张量在共形变换下为,
Rˉ1σμνρ=R1σμνρ+∇μC1νσρ−∇νCμσρ+C1μλρC1νσλ−C1νλρC1μσλ(7)
曲率张量为,
Rˉσν=Rσν+∇μC1νσμ−∇νC1μσμ+C1μλμC1νσλ−C1νλμC1μσλ(8)
标曲率为,
Rˉ=ω−2R−2(n−1)gαβω−3(∇α∇βω)−(n−1)(n−4)gαβω−4(∇αω)(∇βω)(9)