流形與黎曼幾何

里奇曲率(Ricci curvature)

/ REE-chee /

假設你要的不是某個特定二維平面裡的曲率,而是繞著某給定方向、所有方向曲率的某種平均。那個平均量就是里奇曲率。直覺上,它回答一個體積問題:若你沿某選定方向射出一束細小的測地線錐,這束線是擠在一起(體積比平直空間縮得更快)還是散開?正里奇曲率意味測地線聚焦、小球的體積比平直空間預測的小;負則意味它們散焦。

精確地說,里奇張量由黎曼張量縮並而得——對一對指標求和,這是取平均的張量版本。在圖卡裡,Ric_jk = sum_i R^i_ijk。沿單位方向 v 的里奇曲率,等於所有含 v 的二維平面(在一組單範正交標架上)的截面曲率之和,所以它確實是繞 v 的截面曲率的平均(乘開後)。因為它取平均,在四維及以上,里奇所帶資訊比完整黎曼張量少——許多不同的彎曲空間共有相同的里奇張量——但在三維,它其實決定整個黎曼張量,在二維則一切坍縮為單一的高斯曲率。

里奇曲率是廣義相對論的主角。愛因斯坦場方程把由里奇張量造出的曲率表式(愛因斯坦張量)等同於質量與能量的分佈:物質告訴里奇曲率該如何彎曲,而那份彎曲就是重力。它也驅動里奇流(Ricci flow)——漢密爾頓與佩雷爾曼用以證明龐加萊猜想的幾何熱方程,其中度量藉由抹平自身的里奇曲率而演化。誠實的提醒:里奇曲率掌管測地線束的體積如何變化,卻看不見形狀的每個細節——里奇看不到的那部分剩餘資訊,是黎曼張量的外爾(Weyl)部分。

在遠離任何物質的空無空間中,愛因斯坦方程化簡為 Ric = 0,稱為里奇平坦。平直平面與平直時空都是里奇平坦的,但恆星外的彎曲時空也是——史瓦西幾何在質量之外處處 Ric = 0,卻是真正彎曲的,因為剩下的外爾曲率正是使光線與軌道彎折的東西。

里奇平坦不等於平坦:史瓦西時空在恆星外 Ric = 0,卻被其外爾部分彎曲。

里奇曲率是一種平均,故在三維以上會遺失資訊;Ric = 0(里奇平坦)遠弱於 R = 0(真正平坦)。廣義相對論的真空方程是 Ric = 0,這正是空無空間中仍能存在非平凡重力的原因。

又稱
Ricci tensorRic里奇張量