1 x6.10 一般的な命題 命題 N 次元空間 (x i ) に計量 g ij が与えられている f ij を (x i ) 上の (2;0) 次交代テンソルとするとき i ( p g g r p f ip )=0 が成り立つ ここで g r p は計量 g ij のChr

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1 x6.0 一般的な命題 命題 6.0. N 次元空間 (x i ) に計量 g ij が与えられている f ij を (x i ) 上の (2;0) 次交代テンソルとするとき i ( p g g r p f ip )=0 が成り立つ ここで g r p は計量 g ij のChristoffel の記号による共変微分とする ( 証明 ) c i = g r p f ip i ( p gc i p )=(@ i g)c i + p g@ i c i である 右辺の各々の項を計算すると p (@ i g)c i p =@ i g(@p f ip + g Ä p prf ir ) 命題.7.6 によれば g Ä p pr =@ rlog p g であるから 上式は この式の第 2 項は (@ i p g)c i =(@ i p g)@p f ip +(@ i p g)(@r log p g)f ir =(@ i p g) pg (@ r p g)f ir =0 よって 一方で より (@ i p g)c i =(@ i p g)@p f ip () c i =@ p f ip + g Ä p prf i c i =@ p f ip +@ i ( g Ä p pr fir ) この右辺の第 項は 0 i c i =@ i (@ r log p gf ir )

2 2 この式の第 項は 0 であるから =(@ r log p g)f ir +(@ r log p g)@ i f ir p g@i c i = p g(@ r log p g)@ i f ir =(@ r p g)@i f ir () と (2) より結果を得る ( 終 ) =Ä(@ i p g)@p f ip (2) 命題 N 次元空間 (x i ) に計量 g ij が与えられている g ij 関係の変分について ég ij =Äg ik g jl ég kl () ég=gg ij ég ij (2) が成り立つ ( 証明 ) まず () はg ik g kl =él i より (ég ik )g kl +g ik ég kl =0 この両辺に g jl をほどこすと (ég ik )g kl g jl +g ik g jl ég kl =0 これより 結果を得る 次に (2) は命題.7.6 の最初の部分と同様の方法で 得ることができる ( 終 ) 命題 この命題はかって数学者の Hilbert が導いたものだと思うが 確認のためもあって ここに計算の詳細を記述する N 次元空間 (x i ) に計量 g ij が与えられている g R をg ij によるスカラー曲率とするとき g R p g に変分 ég ij をほどこすと é( g R p g)=ä p g( g R ij Ä 2 g Rg ij )ég ij +@ i f p g(g pr é g Ä i präg ip é g Ä r rp)g となる この式の第 2 項はある式 P i i P i と書けるが この形 の式をここでは除去項と呼んで 第 項と区別する

3 3 ここで 計量 g ij による曲率を次のように定義している g R i jkl =@ j g Ä i klä@ k g Ä i lj + g Ä i jp g Ä p kl Ä g Ä i kp g Ä p lj g R ij = g R p pij ; g R ij =g ip g jr g R pr ; g R=g pr g R pr ここで g=det(g ij ) としている g R ij = g R ji が成り立つ ( 証明 ) g R p g= p gg ij (@ k g Ä k ijä@ i g Ä k kj )+p gg ij ( g Ä k kl g Ä l ijä g Ä k il g Ä l kj ) ここで ñg ij = p gg ij とおくと この右辺第 項は =@ k (ñg ij g Ä k ij )Ä@ i(ñg ij g Ä k kj )Ä@ kñg ij g Ä k ij +@ iñg ij g Ä k kj となる この式の第 項 第 2 項は除去項になるから 最後にまとめて処 理することにして 一時的に除外する そうすると 変分の対象として L = p gg ij ( g Ä k kl g Ä l ijä g Ä k il g Ä l kj)ä@ k ñg ij g Ä k ij+@ i ñg ij g Ä k kj を考えればよい L を次の各項を独立変数とする関数とみて この各項で偏微分すると g Ä i jk ; g ij ; k g ij p i g まず g Ä i g Ä s tu =ñg ij é k s ék t él u g Ä l ij +ñgij g Ä k kl él s éi t éj uäñg ij é k s éi t él u g Ä l kj Äñg ij g Ä k ilé l sé k té j uä@ k ñg ij é k sé i té j u+@ i ñg ij é k sé k té j u =ñg ij é t s g Ä u ij +ñgtu g Ä k ksäñg tj g Ä u sjäñg iu g Ä t is Ä@ s p gg tu Ä p g@ s g tu +@ i p gg iu é t s+ p g@ i g iu é t s =Ä p g(@ s g tu +g tj g Ä u sj+g iu g Ä t is)+ p gés(@ t i g iu +g ij g Ä u ij) + p gg tu g Ä k ks +@ p i gg iu ésä@ t p s gg tu =Ä p g(@ s g tu + g Ä u spg pt + g Ä t spg pu )+ p gé t s(@ i g iu + g Ä u ijg ij + g Ä i ipg pu ) Ä p g g Ä i ipg pu é t s+ p gg tu g Ä k ks+ p g g Ä p pi giu é t sä p g g Ä p psg tu ここで 最後の 2 つの項に命題.7.6 i p g= p g g Ä p pi

4 4 を使った この第 項の () 内は g r s g tu =0 第 2 項の () 内は g r i g iu =0 また 第 3 項から第 6 項までも互いに打ち消しあって 0 g Ä s =0 tu さて 次のために L のñg ij を元に戻して L = p gg ij ( g Ä k kl g Ä l ijä g Ä k il g Ä l kj )Ä@ kp gg ij g Ä k ijä p g@ k g ij g Ä k ij としておく その他の偏微分は +@ i p gg ij g Ä k kj+ p g@ i g ij g Ä pr =p g( g Ä k kl g Ä l prä g Ä k pl g Ä l kr)ä@ k p g g Ä k pr+@ p p g g Ä = 2 p g gij ( g Ä k kl g Ä l ijä g Ä k il g Ä l kj)ä 2 p g (@ kg ij g Ä k ijä@ i g ij g Ä k i g pr ) =Äp g g Ä i pr+ p gé p i g Ä s p g) =Äg ij g Ä s ij+g sj g Ä k kj これらの偏微分を使用して él を g Ä s é g Ä s @(@ i g pr ) é(@ ig pr p p é(@ s s g) から計算する この右辺第 項はすでに見たように 0 であるから 第 2 項から始める ここで 命題 prégpr =Ä p g( g Ä k kl g Ä l prä g Ä k pl g Ä l kr)g ps g rt ég st () +(@ k p g g Ä k prä@ p p g g Ä k kr)g ps g rt ég st (2) i g pr ) é(@ ig pr @x i g pr ) o i g pr ég pr ) の右辺の第 項は 除去項であるから 最後に処理するとして除外すると =(Ä@ i p g g Ä i prä p g@ i g Ä i pr+@ i p gé p i g Ä k kr+ p gé p i g Ä k kr)g ps g rt ég st

5 5 i p g g Ä i prä p g@ i g Ä i pr+@ p p g g Ä k kr+ p g@ p g Ä k kr)g ps g rt ég st (3) ここで ()+(2)+(3) を考えると (2) と (3) の第 項と (3) の第 3 項の和は 0 になる 残りの和は ()+(2)+(3)=Ä p g(@ i g Ä i prä@ p g Ä k kr +g Ä k kl g Ä l prä g Ä k pl g Ä l kr )gps g rt ég st この () 内は 計量 g ij の曲率 g R pr であるから となる 次に 等式 =Ä p g g R pr g ps g rt ég st =Ä p g g R st ég p (é p n p p p é p o g p p p é p p g) この右辺の第 項は 除去項であるから 最後に処理するとして除外す ると =Ä(Ä@ p g ij g Ä p ij g p Ä p ij +@ pg pj g Ä k kj+g g p Ä k kj) 2 p g ggst ég st ég= p gg ij ( g Ä k kl g Ä l 2 ijä g Ä k il g Ä l kj)g st ég st 上の (4) と (5) の和は Ä 2p g(@k g ij g Ä k ijä@ i g ij g Ä k kj )gst ég st (5) (4)+(5)= 2p gg st ég st g ij (@ p g Ä p ij Ä@ i g Ä k kj+ g Ä k kl g Ä l ijä g Ä k il g Ä l kj) = p gg st ég st g ij g R ij = p gg st ég g st R 2 2 これらより結果の第 項を得る さて 次に残った 4 つの除去項を集めると éf@ k ( p gg ij g Ä k ij )g=@ ifé( p gg pr g Ä i pr )g =@ i (é p gg pr g Ä i pr +p gég pr g Ä i pr +p gg pr é g Ä i pr ) éfä@ i ( p gg ij g Ä k kj)g=ä@ i fé( p gg ij g Ä k kj)g =Ä@ i (é p gg ij g Ä k kj+ p gég ij g Ä k kj+ p gg ij é g Ä k kj)

6 i g pr ) égpro =@ i f(ä p g g Ä i pr +p gé p i g Ä k kr )égpr i p é p o g =@ i f(äg pr g Ä i g) pr +gip g Ä r rp )ép gg これらの 4 つを足しあわせると 多くが互いに打ち消し合って となる ( 終 i f p g(g pr é g Ä i präg ip é g Ä r rp)g 命題 次元計量 G ij =ïb ji について そのスカラー曲率 G R の値は G R=Ä6ï Ä (B j ò+b i ò@ j ò) ; ò=log p ï または G R=Ä6 p ï Ä3 B j p ï である ( 証明 ) 定義より G R ij =@ h G Ä h jiä@ j G Ä h hi + G Ä h hp G Ä p ji Ä G Ä h jp G Ä p hi とするとき G ij のスカラー曲率は G R=G ij G R ij である これを計算すると まず命題.7.3 より G Ä h ji =éh j C i+é h i C jäb hl C l B ij ; C i =@ i ò である h G Ä h ji=@ j C i +@ i C j ÄB h C l B ij であることがわかる j G Ä h hi =4@ jc i G Ä h hp=4c p

7 7 G Ä h hp G Ä p ji =8C ic j Ä4B kl C k C l B ij である これらより Ä G Ä h jp G Ä p hi =Ä6C ic j +2B kl C k C l B ij G R ij =Ä2@ i C j +2C i C j Ä2B kl C k C l B ij ÄB k C l B ij を得るが さらに G R=ï Ä B ij G R ij を計算して結果を得る また 第 2 の結果は等式 p j p j ò+@ i ò@ j ò を用いて得られる ( 終 ) x6. Kaluza 計量に関する計算 Kaluza 計量 (5 次元 )k ïñ を k ïñ =G ïñ +A ï A ñ によって定義する また f ij ;f ij を f ij =@ i A j Ä@ j A i と定義する f ij =G ip G jr f pr 命題 6.. k ïñ を k ïã k ãñ =é ï ñ なるテンソルとすると k 00 =G ij A i A j +; k 0i =k i0 =ÄG il A l ; k ij =G ij である ( 証明 ) k ïñ =h ïñ (0;x ;:::;x 4 ) と書ける これに命題 2.5. を使用すれば得られる ( 終 ) 命題 6..2 Kaluza 計量 k ïñ について その Chirstoffel の記号 k Ä ï ñó の値は k Ä ï ñ0 = 2 kïl f ñl ()

8 8 k Ä 0 jk = 2 ( G r j A k + G r k A j )Ä 2 A pg pl (f jl A k +f kl A j ) (2) k Ä i jk= G Ä i jk+ 2 Gil (f jl A k +f kl A j ) (3) ( 証明 ) 命題 の証明を参考にすれば 次の等式が成り立つ k Ä ï ñó= 2 kïã (@ ñ G óã +@ ó G ñã Ä@ ã G ñó ) + 2 kïã (A ñ f óã +A ó f ñã +A ã S ñó ) ここで S ñó =@ ñ A ó +@ ó A ñ とする これを使って () は k Ä ï ñ0= 2 kïã (@ ñ G 0ã +@ 0 G ñã Ä@ ã G ñ0 ) + 2 kïl (A ñ f 0l +A 0 f ñl +A l S ñ0 ) + 2 kï0 (0+0+0) これより結果を得る (2) は k Ä 0 jk= 2 k0l (@ j G kl +@ k G jl Ä@ l G jk ) + 2 k00 (@ j G k0 +@ k G j0 Ä@ 0 G jk ) + 2 k0l (A j f kl +A k f jl +A l S jk ) + 2 k00 (0+0+A 0 S jk ) この右辺第 項が ÄA p G Ä p jk であることに注意すれば k Ä 0 jk =ÄA p G Ä p jk Ä 2 A pg pl (A j f kl +A k f jl +A l S jk ) + 2 (Gpr A p A r +)S jk これより結果を得る (3) は k Ä i jk= 2 kil (@ j G kl +@ k G jl Ä@ l G jk ) + 2 ki0 (@ j G k0 +@ k G j0 Ä@ 0 G jk )

9 9 + 2 kil (A j f kl +A k f jl +A l S jk ) + 2 ki0 (0+0+S jk ) この右辺第 項が G Ä i jk であることに注意すれば k Ä i jk= G Ä i jk+ 2 Gil (A j f kl +A k f jl +A l S jk )Ä 2 Gil A l S jk これより結果を得る ( 終 ) 命題 6..3 Kaluza 計量 k ïñ について その曲率テンソル k R ïñ の 値は k R 00 = 4 fpr f pr () k R 0i = 2 Gpr G r p f ir + 4 fpr f pr A i (2) k R ij = G R ij + 2 Gpr (A i G r p f jr +A j G r p f ir ) + 4 fpr f pr A i A j Ä 2 Gpr f ip f jr (3) k R= G RÄ 4 fpr f pr (4) 曲率テンソル k R ïñ の定義は 命題 のそれに従う ( 証明 ) 以降の計算においては わずらわしいので Kaluza 計量の曲率テンソルや Christoffel の記号の左肩の k は省略する 例えば k R は単にR と書く しかし Kaluza 計量以外の曲率テンソルや Christoffel の記号については 省略は行わない R ij の計算 R ij =@ ã Ä ã ijä@ i Ä ã ãj +Äã ãó Äó ijää ã ió Äó ãj (a) の各々の項について計算を行っていく これより (a:) の表現によって 式 a の第 項を指すものとする (a:2:3) は式 (a:2) の第 3 項を指す ã Ä ã ij =@ lä l ij =@ G l Ä l ij + lg lk (f ik A j +f jk A i )+ 2 l (f ik A j +f jk A i )

10 0 この第 項は < まとめ 4> へ この第 2 項は < まとめ 3> へ (a::3) 2 l (f ik A j +f jk A i ) = 2 l f ik A j + 2 Glk f l A j + 2 l f jk A i + 2 Glk f l A i この4つの項はすべて <まとめ 2> へ これによって (a:) の項はすべて <まとめ> へ持って行かれ ここに残る項はない (a:2) Ä@ i Ä ã ãj=ä@ i Ä k kjä@ i Ä 0 0j =Ä@ G i Ä k kjä ifg kl (f kl A j +f jl A k )gä@ i Ä 0 0j (a:2:2) Ä ifg kl (f kl A j +f jl A k )g ( この第 項は0 ) =Ä i(g kl f jl A k )= i(k 0l f jl )=@ i Ä 0 0j これによって (a:2)=ä@ G i Ä k kj となる この項は <まとめ 4> へ これによって (a:2) の項はすべて <まとめ> へ持って行かれ ここに残る項はない (a:3) Ä ã ãó Äó ij =Äk kó Äó ij +Ä0 0ó Äó ij (a:3:) Ä k kóä ó ij=ä k klä l ij+ä k k0ä 0 ij ( この第 2 項は0) =f G Ä k kl + 2 Gkp (f kp A l +f lp A k )gf G Ä l ij + 2 Glr (f ir A j +f jr A i )g = G Ä k kl G Ä l ij + 2 G Ä k kl Glr (f ir A j +f jr A i )+ 2 Gkp f lp A k G Ä l ij + 2 Gkp f lp A k 2 Glr (f ir A j +f jr A i ) この第 項は < まとめ 4> へ この第 2 項は < まとめ 3> へ (a:3:2) Ä 0 0óÄ ó ij=ä 0 0kÄ k ij+ä 0 00Ä 0 ij

11 ( この第 2 項は 0) = 2 k0l f kl f G Ä k ij+ 2 Gkp (f ip A j +f jp A i )g ここで =Ä 2 Glr A r f kl G Ä k ijä 4 Glr A r f kl G kp (f ip A j +f jp A i ) (a:3::3)+(a:3:2:)= 2 Gkp f lp A k G Ä l ijä 2 Glr A r f kl G Ä k ij =0 となり消える (a:3::4)+(a:3:2:2)= 2 Gkp f lp A k 2 Glr (f ir A j +f jr A i ) Ä 4 Glr A r f kl G kp (f ip A j +f jp A i )=0 これによって (a:3) の項は消えるか < まとめ > へ持って行かれ ここに残る項はない (a:4) ÄÄ ã ióä ó ãj=ää k ióä ó kjää 0 ióä ó 0j (a:4:) =ÄÄ k il Äl kjää k i0 Ä0 kjää 0 il Äl 0jÄÄ 0 i0 Ä0 0j ÄÄ k il Äl kj =Äf G Ä k il+ 2 Gkp (f ip A l +f lp A i )gf G Ä l kj+ 2 Glr (f kr A j +f jr A k )g =Ä G Ä k il G Ä l kjä 2 G Ä k ilg lr (f kr A j +f jr A k )g Ä 2 G Ä l kj Gkp (f ip A l +f lp A i ) Ä 4 Gkp (f ip A l +f lp A i )G lr (f kr A j +f jr A k ) この第 項は < まとめ 4> へ この第 2 項は < まとめ 2> へ この 第 3 項は < まとめ 2> へ この第 4 項は < まとめ > へ (a:4:2) ÄÄ k i0ä 0 kj =Ä 2 kkl f il 2 ( G r k A j + G r j A k )+ 4 kkl f il A p G pr (f jr A k +f kr A j ) この第 項は < まとめ 4> へ この第 2 項は < まとめ > へ (a:4:3) ÄÄ 0 ilä l 0j=ÄÄ l j0ä 0 li

12 2 =Ä 4 klk f jk ( G r l A i + G r i A l )+ 4 klk f jk A p G pr (f ir A l +f lr A i ) この第 項は < まとめ 4> へ この第 2 項は < まとめ > へ (a:4:4) ÄÄ 0 i0 Ä0 0j =Ä 2 k0l f il 2 k0p f jp =Ä 4 A kg kl f il A r G rp f jp この項は < まとめ > へ これによって (a:4) の項は消えるか < まとめ > へ持って行かれ ここに残る項はない 次に行う <まとめ> によって上記の (a) に属する項目を比較し 打ち消し合うものを消し 残るものを指摘する <まとめ > (a:4::4) Ä 4 Gkp (f ip A l +f lp A i )G lr (f kr A j +f jr A k ) =Ä 4 Gkp G lr f ip A l f kr A j Ä 4 Gkp G lr f ip A l f jr A k Ä 4 Gkp G lr f lp A i f kr A j Ä 4 Gkp G lr f lp A i f jr A k (a:4:2:2) 4 kkl f il A p G pr (f jr A k +f kr A j ) = 4 Gkl G pr f il A p f jr A k + 4 Gkl G pr f il A p f kr A j (a:4:2:2:2)= 4 Gkp G lr f ip A l f kr A j (a:4:3:2) 4 klk f jk A p G pr (f ir A l +f lr A i ) = 4 Glk G pr f jk A p f ir A l + 4 Glk G pr f jk A p f lr A i = 4 Glr G kp f jr A k f ip A l + 4 Glr G kp f jr A k f lp A i (a:4:4) Ä 4 A kg kl f il A r G rp f jp =Ä 4 Gkl G pr f il A k f jr A p

13 3 ここにおいて 次の項目は互いに打ち消し合う (a:4::4:) +(a:4:2:2:2) = 0; (a:4::4:2) +(a:4:3:2:) = 0 (a:4::4:4)+(a:4:3:2:2)=0; (a:4:2:2:)+(a:4:4)=0 これによって <まとめ > において 残る項目は (a:4::4:3) のみである この項は < 結果 > へ (a:4::4:3)=ä 4 Gkp G lr f lp A i f kr A j = 4 A ia j f pr f pr < まとめ 2> (a:4::2) Ä 2 G Ä k ilg lr (f kr A j +f jr A k )g =Ä 2 G Ä k il Glr f kr A j Ä 2 G Ä k il Glr f jr A k (a:4::3) Ä 2 G Ä l kj Gkp (f ip A l +f lp A i ) =Ä 2 G Ä l kj Gkp f ip A l Ä 2 G Ä l kj Gkp f lp A i (a::3:) +(a:4::2:) 2 l f ik A j Ä 2 G Ä k il Glr f kr A j = 2 Glk A j G r l f ik Ä 2 Glk A j G Ä p lk f pi この第 項は < 結果 > へ この第 2 項 (m2:) は < まとめ 3> へ (a::3:3) +(a:4::3:2) 2 l f jk A i Ä 2 G Ä l kj Gkp f lp A i = 2 Glk A i G r l f jk Ä 2 Glk A i G Ä p lk f pj この第 項は < 結果 > へ この第 2 項 (m2:2) は < まとめ 3> へ (a::3:2) +(a:4::3:) 2 Glk f l A j Ä 2 G Ä l kjg kp f ip A l = 2 Glk f ik G r l A j

14 4 この項 (m2:3) は < まとめ 4> へ (a::3:4) +(a:4::2:2) 2 Glk f l A i Ä 2 G Ä k ilg lr f jr A k = 2 Glk f jk G r l A i この項 (m2:4) は < まとめ 4> へ これによって < まとめ 2> へ残る項はない < まとめ 3> (a::2) +(m2:) +(m2:2) +(a:3::2) lg lk (f ik A j +f jk A i )Ä 2 Glk A j G Ä p lk f pi Ä 2 Glk A i G Ä p lk f pj+ 2 G Ä k klg lr (f ir A j +f jr A i ) = 2 (f ika j +f jk A i )(@ l G lk + G Ä k pr Gpr + G Ä p pr Grk ) = 2 (f ika j +f jk A i ) G r l G lk =0 < まとめ 3> の結果は 0 となり 先へ持ち越す項はない < まとめ 4> (a::) +(a:2:) +(a:3::) G l Ä l ijä@ G i Ä k kj+ G Ä k kl G Ä l ijä G Ä k il G Ä l kj= G R ij この項は < 結果 > へ (a:4:2:) +(a:4:3:) +(m2:3) +(m2:4) Ä 4 kkl f il ( G r k A j + G r j A k )Ä 4 klk f jk ( G r l A i + G r i A l ) + 2 Glk f ik G r l A j + 2 Glk f jk G r l A i = 4 Glk f ik ( G r l A j Ä G r j A l )+ 4 Glk f jk ( G r l A i Ä G r i A l ) = 4 Glk f ik f lj + 4 Glk f jk f li

15 5 = 4 Glk f ik f lj + 4 Glk f ik f lj この項は < 結果 > へ =Ä 2 Gkl f ik f jl < 結果 > R ij = G R ij + 2 Gpr (A i G r p f jr +A j G r p f ir ) + 4 A ia j (f pr f pr )Ä 2 Gpr f ip f jr R 0j の計算 R 0j =@ ã Ä ã 0jÄ@ 0 Ä ã ãj +Äã ãó Äó 0jÄÄ ã 0ó Äó ãj (b) の各々の項について計算を行っていく これより (b:) の表現によって 式 b の第 項を指すものとする (b:2:3) は式 (b:2) の第 3 項を指す ã Ä ã 0j =@ lä l 0j = lk lk f jk + 2 l f jk この第 項 第 2 項は <まとめ> へ (b:2) Ä@ 0 Ä ã ãj =0 (b:3) Ä ã ãó Äó 0j =Äk kó Äó 0j +Ä0 0ó Äó 0j (b:3:) =Ä k kl Äl 0j +Äk k0 Ä0 0j +Ä0 0l Äl 0j +Ä0 00 Ä0 0j Ä k klä l 0j=f G Ä k kl+ 2 Gkp (f kp A l +f lp A k )g 2 klr f jr ここで G kp f kp =0 に注意 = 2 G Ä k kl klr f jr + 4 Gkp f lp A k k lr f jr = G Ä k kl 2 Glr f jr + 4 frk A k f jr

16 6 この第 項は < まとめ > へ 第 2 項は (b:3:3) と打ち消し合う (b:3:2) (b:3:3) Ä k k0ä 0 0j= 2 Gkl f kl Ä 0 0j=0 Ä 0 0lÄ l 0j= 2 k0p f lp 2 klr f jr =Ä 4 Gpk A k f lp G lr f jr =Ä 4 A kf rk f jr この項は (b:3::2) と打ち消し合う (b:3:4) Ä 0 00 Ä0 0j =0 (b:4) ÄÄ ã 0ó Äó ãj =ÄÄk 0ó Äó kjää 0 0ó Äó 0j =ÄÄ k 0l Äl kjää k 00 Ä0 kjää 0 0l Äl 0jÄÄ 0 00 Ä0 0j ここで (b:4:2)=(b:4:4)=0 である (b:4:) ÄÄ k 0l Äl kj =Ä 2 Gkp f lp f G Ä l kj + 2 Glr (f kr A j +f jr A k )g =Ä 2 G Ä l kj Gkp f lp Ä 4 Gkp f lp G lr f kr A j Ä 4 Gkp f lp G lr f jr A k =Ä 2 G Ä l kjg kp f lp Ä 4 frk f kr A j Ä 4 frk f jr A k この第 項は < まとめ > へ 第 2 項は < 結果 > へ 第 3 項は (b:4:3) と 打ち消し合う (b:4:3) ÄÄ 0 0l Äl 0j =Ä 2 k0p f lp 2 Glr f jr = 4 A kg kp f lp G lr f jr = 4 A kf rk f jr この項は (b:4::3) と打ち消し合う < まとめ > (b::) +(b:3::) = lg lk f jk + G Ä k kl 2 Glr f jr

17 7 = lg lk f jk + 2 G Ä l lp Gpk f jk = 2 f jk(@ l G lk + G Ä l lp Gpk + G Ä k lp Glp )Ä 2 f jk G Ä k lp Glp この第 項は G r l G lk =0 である 第 2 項は (m:) とする (b::2) +(b:4::) +(m:) = 2 l f jk Ä 2 G Ä l kjg kp f lp Ä 2 f jk G Ä k lpg lp = 2 l f jk Ä 2 Glk G Ä r ljf rk Ä 2 Glk G Ä r lkf jr = 2 Glk (@ l f jk Ä G Ä r lj f rkä G Ä r lk f jr) この項は < 結果 > へ = 2 Glk G r l f jk < 結果 > R 0j = 2 Glk G r l f jk + 4 A j(f pr f pr ) R 00 の計算 R 00 =@ ã Ä ã 00Ä@ 0 Ä ã ã0+ä ã ãóä ó 00ÄÄ ã 0óÄ ó ã0 (c) この第 項 第 2 項 第 3 項は0 であるから 第 4 項のみを計算する (c:4) ÄÄ ã 0ó Äó ã0 =ÄÄk 0ó Äó k0ää 0 0ó Äó 00 この右辺第 2 項は0 である この第 2 項は 0 である =ÄÄ k 0lÄ l k0ää k 00Ä 0 k0 =Ä 2 Gkp f lp 2 Glr f kr = 4 fpr f pr < 結果 > R 00 = 4 fpr f pr

18 8 R の計算 R=k ïñ R ïñ =k ij R ij +2k 0j R 0j +k 00 R 00 (d) (d:) G ij R ij =G ij G R ij +G ij G pr A i G r p f jr + 4 Gij A i A j (f pr f pr ) Ä 2 Gij G pr f ip f jr この第 2 項は G ij G pr A i G r p f jr =A i G r p f ip である (d:2) 2k 0j R 0j =ÄG ji A i G lk G r l f jk Ä 2 Gij A i A j (f pr f pr ) =ÄA i G r l f il Ä 2 Gij A i A j (f pr f pr ) (d:3) k 00 R 00 =k 00 4 (fpr f pr )= 4 (fpr f pr )+ 4 Gij A i A j (f pr f pr ) ここまでで (d::2) と (d:2:) は打ち消し合う < まとめと結果 > R=(d:)+(d:2)+(d:3)= G R+ 4 Gij A i A j (f pr f pr ) Ä 2 (fpr f pr )Ä 2 Gij A i A j (f pr f pr )+ 4 (fpr f pr )+ 4 Gij A i A j (f pr f pr ) これより R= G RÄ 4 (fpr f pr ) を得る ( 終 ) 命題 6..4 Kaluza 計量 k ïñ について その曲率テンソル k R ïñ の 値は k R 00 =a p a r G R pr + 4 fpr f pr Ä 2 ai a j G pr f ip f jr ÄA p G r r f pr ()

19 9 k R 0i = k R i0 =ÄG ip a r G R rp + 2 ar f rp f ip + 2 G r p f ip (2) k R ij = G R ij + 2 Gjr f ip f pr (3) である ここで a i =G ip A p とした 曲率テンソル k R ïñ の定義は 命題 のそれに従う ( 証明 ) 以降の計算においては わずらわしいので Kaluza 計量の曲率テンソルや Christoffel の記号の左肩の k は省略する 例えば k R ij は単にR ij と書く しかし Kaluza 計量以外の曲率テンソルや Christoffel の記号については 省略は行わない まず R ïñ =k ïi k ñj R ij +k ï0 k ñj R 0j +k ïi k ñ0 R i0 +k ï0 k ñ0 R 00 である これを使って R kl の計算 R kl =k ki k lj R ij +k k0 k lj R 0j +k ki k l0 R i0 +k k0 k l0 R 00 これを (a) とする (a:) k ki k lj R ij =G ki G lj R ij = G R kl + 2 Gki G lj G pr (A G i r p f jr +A G j r p f ir )+ 4 Gki G lj A i A j (f pr f pr ) Ä 2 Gki G lj G pr f ip f jr = G R kl + 2 ak G r p f lp + 2 al G r p f kp + 4 ak a l (f pr f pr )Ä 2 fkr G lj f jr (a:2) k k0 k lj R 0j = 2 kk0 G lj G pr G r p f jr + 4 kk0 G lj A j (f pr f pr ) =Ä 2 ak G r p f lp Ä 4 ak a l (f pr f pr ) (a:3) (a:4) k ki k l0 R i0 =Ä 2 al G r p f kp Ä 4 al a k (f pr f pr ) k k0 k l0 R 00 = 4 ak a l (f pr f pr )

20 20 <まとめ> 次の項が打ち消し合う (a::2)+(a:2:)=0; (a::3)+(a:3:)=0 (a:3:2)+(a:4)=0; (a::3)+(a:2:2)=0 結果は R kl = G R kl + 2 Glj f kr f rj R 0l の計算 R 0l =k 0i k lj R ij +k 00 k lj R 0j +k 0i k l0 R i0 +k 00 k l0 R 00 これを (b) とする (b:) k 0i k lj R ij =Äa i G lj G R ij Ä 2 ai G lj G pr (A G i r p f jr +A G j r p f ir ) Ä 4 ai G lj A i A j (f pr f pr )+ 2 ai G lj G pr f ip f jr =ÄG lj G R ij a i Ä 2 ai A i G r p f lp Ä 2 al A k G r p f kp (b:2) Ä 4 ai A i a l (f pr f pr )+ 2 ai f ip f lp k 00 k lj R 0j = 2 k00 G lj G pr G r p f jr + 4 k00 a l (f pr f pr ) (b:3) = 2 k00 G r p f lp + 4 k00 a l (f pr f pr ) k 0j k l0 R j0 = 2 k0j k l0 G pr G r p f jr + 4 k0j k l0 A j (f pr f pr ) = 2 A ka l G r p f kp + 4 ai A i a l (f pr f pr ) (b:4) k 00 k l0 R 00 =Äk 00 a l 4 (fpr f pr ) < まとめ >

21 2 次の項が打ち消し合う (b::4)+(b:3:2)=0; (b:2:2)+(b:4)=0; (b::3)+(b:3:)=0 (b::2) +(b:2:) =(Ä 2 ai A i + 2 k00 ) G r p f lp = 2 G r p f lp これらより 結果は R 0l =ÄG lj G R ij a i + 2 ai f ip f lp + 2 G r p f lp R 00 の計算 R 00 =k 0i k 0j R ij +k 00 k 0j R 0j +k 0i k 00 R i0 +k 00 k 00 R 00 これを (c) とする (c:) k 0i k 0j R ij =a i a j G R ij + 2 ai a j G pr (A G i r p f jr +A G j r p f ir ) + 4 ai a j A i A j (f pr f pr )Ä 2 ai a j G pr f ip f jr =a i a j G R ij +a i A i A k G r p f kp + 4 ai a j A i A j (f pr f pr )Ä 2 ai a j G pr f ip f jr (c:2) k 00 k 0j R 0j =Ä 2 k00 a j G lk G r l f jk Ä 4 k00 a j A j (f pr f pr ) (c:3) k 0j k 00 R j0 =Ä 2 k00 a j G lk G r l f jk Ä 4 k00 a j A j (f pr f pr ) (c:4) k 00 k 00 R 00 =k 00 k 00 4 (fpr f pr ) < まとめ > (c::4)+(c:2:2)+(c:3:2)+(c:4)= 4 (fpr f pr ) (c:2:)+(c:3:)=ä(+a i A i )A p G r l f pl

22 22 これらから R 00 =a i a j G R ij + 4 (fpr f pr )Ä 2 ai a j G pr f ip f jr ÄA p G r l f pl ( 終 ) 命題 6..5 Kaluza 計量 k ïñ に関して Q ïñ を Q ïñ = k R ïñ Ä 2 k Rk ïñ と定義するとき Q ïi A ï =Q pi A p +Q 0i = 2 G r p f ip () Q ij = G R ij Ä 2 G RG ij Ä 2 Gjr f rp f ip + 8 Gij f pr f pr (2) が成り立つ ( 証明 ) a i =G ip A p とする Q ïi A ï =Q ij A j +Q 0i において Q ij A j = G R ij A j + 2 Gjr A j f ip f pr Ä 2 Gij A j G R + 8 Gij A j f pr f pr Q 0i = k R i0 + 2 ai ( G RÄ 4 fpr f pr ) =ÄG ip G R rp G rk A k + 2 ar f rp f ip + 2 G r p f ip + 2 ai G RÄ 8 ai f pr f pr これらより () を得る (2) は簡単なので省略する ( 終 ) 200 年 3 月 Ver. 発行著者 : 渡辺満, 発行者 : 渡辺満 Copyright 渡辺満 200 年

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