Псевдоевклидово пространство

Псевдоевклидово пространство — конечномерное вещественное пространство с невырожденной индефинитной метрикой. Важнейшим частным случаем такого пространства является пространство Минковского.

Запись расстояния в ортонормированном репере и сигнатура

Выбором репера всегда можно добиться того, чтобы расстояние между точками n-мерного псевдоевклидова пространства с координатами $(x_{1},\ldots ,x_{n})$ и $(y_{1},\ldots ,y_{n})$ записывалось в виде

$d(x,y)={\sqrt {(x_{1}-y_{1})^{2}+\ldots +(x_{m}-y_{m})^{2}-(x_{m+1}-y_{m+1})^{2}-\ldots -(x_{n}-y_{n})^{2}}}.$

Реперы (а также отвечающие им базисы) с таким свойством называются ортонормированными. Пара чисел $(m,n-m)$ (задающая количество базисных векторов вещественной и чисто мнимой длины, соответственно) не зависит от выбора ортонормированного базиса и называется сигнатурой псевдоевклидова пространства. Псевдоевклидовы пространства с различными сигнатурами неизометричны друг другу. Однако пространство с индексом $(m,n-m)$ может быть превращено в пространство с индексом $(n-m,m)$ заменой знака скалярного произведения, и потому различия между такими пространствами обычно не проводят: в частности, пространство Минковского в разных источниках определяется и как пространство сигнатуры $(1,3)$, и как пространство сигнатуры $(3,1)$. Таким образом, каждой размерности $n$ отвечает $\left[n/2\right]$ (где прямые скобки означают взятие целой части) различных $n$-мерных псевдоевклидовых пространств.

Изотропные направления

Особенностью пространств с индефинитной метрикой является наличие ненулевых векторов, имеющих нулевую длину. Такие векторы (а также прямые, направляющими векторами которых они являются) называются изотропными (в физике — также нулевыми или светоподобными). В частности, псевдоевклидова плоскость обладает ровно двумя несовпадающими изотропными направлениями. Изотропные прямые трёхмерного псевдоевклидова пространства, проведённые через произвольно фиксированную точку, образуют конус с вершиной в этой точке. Он - как и аналогичные конусы соответствующей размерности n в псевдоевклидовых пространствах большей размерности с сигнатурой (n,1) или (1,n) играет роль сферы нулевого радиуса.

Окружности и сферы

С точки зрения геометрии псевдоевклидовой плоскости, окружностями произвольного ненулевого (вещественного или чисто мнимого) радиуса являются гиперболы. Аналогично, в трёхмерном псевдоевклидовом пространстве сигнатуры $(2,1)$ сферами ненулевого вещественного радиуса являются однополостные гиперболоиды, а сферами ненулевого чисто мнимого радиуса — двуполостные гиперболоиды. В четырехмерном (3,1) и более многомерных пространствах (n,1) n-мерными гиперсферами являются аналогичные гиперболоиды вращения.

Применение в физике

Важнейшим частным случаем псевдоевклидова пространства является пространство Минковского, используемое в специальной теории относительности в качестве пространства-времени, в котором метрика сигнатуры (1,3) лоренц-инвариантна (только псевдоевклидова метрика может быть лоренц-инвариантной), а для времениподобности пары событий длина (в смысле такой метрики) кривой, соединяющей эти события и тоже всюду времениподобной, есть время между ними, измеренное по часам, движение которых описывается в пространстве-времени этой кривой. Изотропные направления являются направлениями распространения света и называются также нулевыми или светоподобными.

Теоретическая физика рассматривает псевдоевклидовы пространства и иной размерности, однако как правило метрика в них имеет сигнатуру $(1,n)$, то есть это пространства с одной временно́й координатой и n пространственными.

Литература

• П. К. Рашевский. Риманова геометрия и тензорный анализ. Любое издание.

См. также

• Псевдориманово многообразие
• Евклидово пространство