• 2006-07-25

    Classical Differential Geometry【1】 - [MathsPhysics]

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            这是一门很重要的学问,我们没教,只能自己学。自学+初学,看对书是很关键的,不同的书有不同的用处,同一课题多看不同的书,取长补短,集百家精华。当中自然难免走走弯路,新手磕磕碰碰总要有。一开始我是决定暑假细致地从学Special Relativity of Theory,这应该是现代物理中最简单的理论了。我看一本据说是经典的老书,Tolman写的 The theory of the relativity of motion,开头很负责地谈论古老的ether理论,历史路线走得稳稳当当,我看得也很高兴。到了SR(狭义相对论的简称,for convenient,analogically,GR for  General Relativity of Theory)的基本公式时,我总是跟不上作者的思路,不明白如何从这一步到下一步,连着两章,直到出现Lorentz 变换,我反反复复揣摩那些看不大懂的章节,最后终于意识到作者并没有从他提及的素材中逻辑推导这些公式,仅仅作为“引出”公式才谈及他提供的素材。于是我有些不满意,想找本数学化一点的书看。

            Weyl著作 SPACE-TIME-MATTER ,数学家写东西就是气派,一开始就大谈Affine Geometry 然后引入Quadratic Form(二次式),过渡到Metric Geometry。这当中有些学问的,不是很难,我以后要专门写文章讲这东西。接着就开始讲Tensor analysis了。相对论牵涉到这些,在于GR和SR各自的基本原理,就是在某类坐标系中物理规律的形式不变-SR 是惯性坐标系;GR是任何坐标系。自然就要有坐标之间变换的学问,可惜的是无论在Differential Geometry 或Tensor analysis的专业数学书中,大多没有提及这个话题,我是在数学物理方面的书初学 这个东东的。当然要全面掌握相对论,还有加上一点点Group Theory。

           Weyl 教会我一样玩意,对张量的新理解,他用 Quadratic Form引出Cartesian system下的二阶张量,然后在bilinear form下推广到一般张量,因而trilinear form 对应三阶张量,并且当中变量指标的上下位置不同还能区分covariant component 和cotravariant  component,很是有趣。Tensor这个概念是很多物理专业学生迷糊的概念,因为课程中没有被严格教授,对其理解中是模模糊糊,我最近才开始看透这玩意。Tensor最关键的要点是把握它的多重线性关系,即,在非Cartesian systerm中我们区分两种情况,给出一组量,它由坐标轴上的分量表示出,用一个指标表示它与坐标轴的一层关系,当坐标变换时(注意!坐标变换是线型变换)它的某些分量也按坐标基矢的变换规律变,那该分量就是协变分量(covariant component)如果按坐标基矢的逆变换而变换的就是逆变分量,(contravariant component)这组数就是张量了,两类分量的各自总和分别为该张量的对应阶数。这个多重线性关系就隐含在上面的表述中,要知道这组量(就是Tensor了)的每一个分量(即是对应的指标)在坐标变换下是独立变换了,总体看起来就是多重的线型关联,因而张量是一个抽象量,它并不是任何的实体,仅仅在坐标变换时满足这样规律的一组数就是张量了。
            广义坐标常常不是简单的直角坐标系,而是所谓的Curvilinear Coordinates。而且还细分orthogonal和non-orthogonal两种。在Curvilinear Coordinates下,基矢在空间各点的方向是不一样的,这是个麻烦事,因为在用坐标表示出来的微分方程中,我们不得不考虑基矢的微分,因为它们不再是constant vectors。如果我们放弃Curvilinear Coordinates,拿回引起更大的麻烦,我们物理上引出Curvilinear Coordinates就是为了问题的简化,常常考虑到问题中的对称性来建立coordinates systerm的,这一点无论如何,我们是不拾得放弃的。那就有一个重要的问题:当一个constant vecor 移动时如何表示,这就要用到connect(联络)或称之为Christoffel symbol,式子复杂的眼花,上下指标多得满天飞。不过如果学会了,你就会发现还有更困难的在等着你学。学到这里已经涉及differetial geometry的内容了,我就是因此迅速转到differetial geometry的学习中的,一不小心就会触及神秘的Riemann Geometry ,嘻嘻~~~


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  • 羡慕。

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