黎曼幾何:列維-奇維塔聯絡與曲率

純量曲率(scalar curvature)

如果里奇曲率仍帶有方向資訊,純量曲率就是把方向也平均掉後得到的單一數字:流形上的一個函數,概括每一點附近空間整體的彎曲程度。它是最粗的曲率不變量,而值得注意的是,它恰好就是告訴你小球比平坦空間裝得多還是少的那一項。

純量曲率 S(常記作 R 或 Scal)是里奇張量相對於度量的跡:S = g^ij Ric_ij。等價地,它是對單位正交基 e_i 的所有座標二平面截面曲率之和(帶適當組合因子),故它把截面曲率平均了兩次。其最乾淨的幾何意義:半徑 r 的小測地球體積滿足 Vol(B_r) = omega_n r^n ( 1 - (S/(6(n+2))) r^2 + ... ),其中 omega_n 是歐氏球體積。正 S 意味著小球略小於歐氏;負 S 意味著略大。

它出現在哪裡與誠實的層級。純量曲率是廣義相對論中愛因斯坦-希爾伯特作用量的被積函數,也是二維中其在曲面上的總和受高斯-博內定理控制的量(那裡 S = 2K)。它也是曲率中「最弱」的:它比完整黎曼張量低兩個跡,所以純量界遠不如里奇界,里奇界又遠不如截面界所言之多。尤其正純量曲率是出了名的弱條件——它允許正里奇所禁止的拓樸——所以切勿把「正純量曲率」讀成截面意義下的「正曲率」。

在曲面上(n = 2),純量曲率恰是高斯曲率的兩倍,S = 2K,所以 S 在閉曲面上的積分等於 8 pi 乘以一減虧格(高斯-博內)。在更高維中,處處 S > 0 是如此之弱,以致例如球面與各種流形的連通和仍容許正純量曲率,而正里奇則嚴格得多。

在二維中 S = 2K 且積分為一個拓樸常數;在高維中 S > 0 是極弱的限制。

純量曲率是最弱的曲率不變量(比黎曼低兩個跡)。正純量曲率遠弱於正里奇,正里奇又弱於正截面——切勿把「正純量曲率」與任何更強意義下的正曲率混為一談。

又稱
scalar curvatureRicci scalar純量曲率S