廣義相對論(入門)
里奇張量(Ricci tensor)
/ REE-chee /
完整的黎曼張量握有時空如何彎曲的每一個細節,每點二十個數字,比愛因斯坦方程所需要看到的還多。里奇張量是從它蒸餾出來的一部分,做法是對方向取平均,而它回答一個具體的物理問題:如果你放開一小團塵埃讓它自由下墜,它的體積會不會開始縮小,又縮得多快?它是物質直接回應的那一份曲率。
它是黎曼張量的一個縮併,R_ab = R^c_acb,對一個上指標和一個下指標求和。它是對稱的,R_ab = R_ba,在四維中有十個獨立分量,恰好與度規的十個以及能量-動量張量的十個相符。在幾何上,里奇張量控制一小團自由落體試驗粒子的體積開始改變的速率,因此它度量的是鄰近測地線因曲率而收斂或發散的程度。
里奇張量正是坐在愛因斯坦場方程左邊的那份曲率,直接與作為重力源的物質和能量耦合。這裡需要一個微妙而重要的誠實:在真空中愛因斯坦方程令 R_ab = 0,但這並不代表時空是平坦的。黎曼張量還剩下一個無跡的部分,即外爾張量(Weyl tensor),它在真空中可以不為零,這正是為什麼恆星外遠處的區域,或一道經過的重力波,能在里奇張量為零的情況下仍攜帶真實的潮汐曲率。
在一顆巨大行星上方剛放開的一團咖啡渣,不只是下墜;它還會在某些方向被擠壓、在另一些方向被拉伸。它下墜時整體體積的變化由里奇張量支配,而在行星外的真空中,即使潮汐畸變不為零,那個體積變化卻是零。
里奇控制體積變化;只改變形狀的畸變則是外爾那一部分。
里奇平坦(R_ab = 0)不等於平坦。黑洞周圍的史瓦西時空在質量之外處處里奇平坦,卻強烈彎曲,它的黎曼張量在中心附近非常大。真空指的是沒有局部的源,而不是沒有曲率。
又稱
另見