张量微积分与微分几何

张量(tensor)

标量是一个不在乎你把坐标轴指向何方的数——温度、质量、电荷。向量是一支在你选坐标轴之前就存在的箭头;选定一个标架,它便向你展示分量。张量是这一观念的自然延续:一个独立于坐标而存在的几何对象,可一旦选定标架,它便以一组带若干指标的分量阵列示人。标量是 0 阶张量,向量与余向量是 1 阶,度规与应力张量是 2 阶,依此类推。

确切地说,(p, q) 型张量是一台多线性机器:它有 p 个上槽与 q 个下槽,吃入 q 个向量与 p 个余向量,返回一个数,并对每个输入都线性。它的分量带 p 个上指标与 q 个下指标,如 T^{ij}_k。其定义性质不是那组数本身,而是当你切换坐标时这组数如何变化:每个上指标按新对旧映射的雅可比变换,每个下指标按逆雅可比变换(张量变换律)。这条规则就是张量身份的检验标准。同一对象在不同标架下的分量是不同的阵列,但它们都编码同一个与标架无关的东西;任何写成“张量 = 张量”且指标结构匹配的方程,自动在所有标架中同时成立。

每当一个物理量具有超出单一箭头的方向结构时,张量便是恰当的语言:梁中的应力(单位面积上的力依赖两个方向——面与力)、变形固体中的应变、刚体的转动惯量、电磁场,尤其是广义相对论中时空的度规与曲率。它全部的魅力在于:把物理写成张量方程,保证物理定律在每个坐标系中看起来都一样——广义协变原理。常见的新手陷阱:一串带指标的数并不自动就是张量;例如克里斯托费尔符号带有指标,却不按张量方式变换,所以它不是张量。

固体中的应力张量 sigma^{ij} 是 2 阶:sigma^{ij} 是作用在外法向指向第 j 方向的那个面上、单位面积力的第 i 个分量。把任一曲面的单位法向 n_j 喂给它,它便返回牵引向量 t^i = sigma^{ij} n_j——对每个朝向、由同一个对象给出的、该面上真实的单位面积力。

2 阶张量是一台把方向变成向量的机器——这里把曲面法向变成其牵引力。

带有指标并不使某物成为张量;变换律才决定。联络系数(克里斯托费尔符号)带有指标,但在坐标变换下多出一个非齐次项,所以它们断然不是张量。

又称
multilinear objecttensor field张量场張量場