流形與黎曼幾何

列維-奇維塔聯絡(Levi-Civita connection)

/ LAY-vee chee-VEE-tah /

在彎曲空間上有個真實的問題:你要如何對一個向量場求導?要取導數,你得把一點的向量和鄰近點的向量相比、再除以間距——但這兩個向量住在不同的切空間裡,沒有自動的辦法相比。聯絡(connection)就是那條缺失的規則,它說明如何把一個向量從一個切空間搬到鄰近的切空間,使比較變得有意義。列維-奇維塔聯絡,就是黎曼度量挑選出來的那唯一一個、典範的聯絡。

精確地說,聯絡提供一個共變導數,記作 nabla_X Y,即當你沿向量場 X 的方向移動時,向量場 Y 的變化率,並把切空間的扭轉妥善計入。流形上有許多聯絡,但列維-奇維塔聯絡是滿足兩項自然要求的唯一一個:它與度量相容(平行移動保長度與角度,所以你搬動向量時尺不變)且無撓(對稱,意思是 nabla_X Y - nabla_Y X 等於李括號 [X, Y],沒有額外內建的旋轉)。黎曼幾何基本定理保證恰有一個聯絡同時滿足這兩條件,而一條明確公式(科斯居爾公式,Koszul formula)僅由度量就把它造出來;在座標下它的分量就是克氏符號。

這個聯絡是整套理論的引擎。測地線是那些自身速度沿其平行的曲線(速度對速度的 nabla 為零);曲率是二階共變導數不可交換的程度;平行移動、和樂群(holonomy)與廣義相對論的方程,全都透過它書寫。它的存在,讓彎曲空間上的微積分能以典範方式進行、毫無任意選擇——度量的幾何規定了唯一正確的求導方式。

在尋常 x、y 座標下的平直平面上,列維-奇維塔聯絡是平凡的:nabla_X Y 就是逐分量的尋常導數,因為座標軸從不轉向。改用極座標,聯絡就不再平凡了——基底向量 d/dr 與 d/dtheta 隨你移動而旋轉,於是出現額外的修正項(克氏符號),儘管底下的平面依然完全平直。

即使在平直平面上,彎曲座標也使聯絡不平凡——克氏符號可以非零,而並無任何真正的曲率。

與度量相容加上無撓,把聯絡唯一地釘死;放鬆任一條件就會出現別的聯絡。別把非零的克氏符號當成曲率的證據——它們可能純粹來自彎曲的座標選擇。

又稱
covariant derivativethe metric connection共變導數黎曼聯絡度量聯絡