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En su Lecture I nos habla de vectores, 1-formas, tensores y espacio-tiempos planos. Para empezar, un vector, a diferencia de un escalar, no solo tiene magnitud sino tambien dirección y sentido. En un contexto mas abstracto, son los elementos de un espacio vectorial fínito $latex V$ (en realidad, un espacio euclideo, es decir, un espacio vectorial normado con una norma procedente de un producto escalar).

Por ejemplo, dada una curva \alpha(t) \in \mathbb{R}^3, siendo t un parámetro, el tiempo absoluto Newtoniano, podemos definir su vector velocidad como:

\boldsymbol{v} = \boldsymbol{v}(t) = \frac{d}{dt} \alpha(t) = \frac{d}{dt}\alpha (= \alpha_t).

O, en relatividad, \beta(\tau) \in \mathbb{M}^4, con \tau el tiempo propio:

\boldsymbol{v} = \boldsymbol{v}(\tau) = \frac{d}{d\tau} \beta(\tau) = \frac{d}{d\tau}\beta (= \beta_\tau).

Al introducir los espacio vectoriales, podemos sumar/restar vectores entre si, multiplicarlos por un escalar y disponemos de los conceptos de bases (conjuntos de vectores linealmente independientes que forman un sistema generador)  y coordenadas. Sean \{\boldsymbol{e}_1, \boldsymbol{e}_2, \boldsymbol{e}_3\} y \{ \boldsymbol{e}_0, \boldsymbol{e}_1, \boldsymbol{e}_2, \boldsymbol{e}_3\} las bases de \mathbb{R}^3 y \mathbb{M}^4 respectivamente. Entonces podemos escribir, por ejemplo:

\boldsymbol{v} = v^0 \boldsymbol{e}_0 + v^1 \boldsymbol{e}_1 + v^2 \boldsymbol{e}_2 + v^3 \boldsymbol{e}_3 = \sum_\alpha v^\alpha \boldsymbol{e}_\alpha = v^\alpha \boldsymbol{e}_\alpha = v^0 \boldsymbol{e}_0 + v^i \boldsymbol{e}_i.

Aunque muchas veces no se escriba explicitamente, tener en cuenta que las coordenadas pueden ser, como en el ejemplo anterior, funciones:

v(\tau) = v^\alpha (\tau) \boldsymbol{e}_\alpha.

Para cambiar de un sistema de coordenadas \{ \boldsymbol{e}_\alpha \} a otro \{ \boldsymbol{e}_{\tilde{\alpha}} \} basta expresar los vectores de una base  en la otra:

\boldsymbol{e}_{\tilde{\alpha}} = \sum_\alpha A^\alpha_{\tilde{\alpha}} \boldsymbol{e}_{\alpha} = A^\alpha_{\tilde{\alpha}} \boldsymbol{e}_{\alpha},

\boldsymbol{e}_{\alpha} = \sum_{\tilde{\alpha}} B_\alpha^{\tilde{\alpha}} \boldsymbol{e}_{\tilde{\alpha}} = B_\alpha^{\tilde{\alpha}} \boldsymbol{e}_{\tilde{\alpha}},

donde B_\alpha^{\tilde{\alpha}} = (A^{-1})_\alpha^{\tilde{\alpha}}, de manera que si \boldsymbol{v} = v^{\alpha} \boldsymbol{e}_\alpha entonces:

\boldsymbol{v} = v^\alpha \boldsymbol{e}_\alpha = v^\alpha B^{\tilde{\alpha}}_{\alpha} \boldsymbol{e}_{\tilde{\alpha}} = v^\alpha (A^{-1})^{\tilde{\alpha}}_{\alpha} \boldsymbol{e}_{\tilde{\alpha}} = v^{\tilde{\alpha}} \boldsymbol{e}_{\tilde{\alpha}}

con:

v^{\tilde{\alpha}} = v^{\alpha}(A^{-1})^{\tilde{\alpha}}_{\alpha} = (A^{-1})^{\tilde{\alpha}}_{\alpha} v^{\alpha}.

Como ya hemos comentado, disponemos de un producto escalar \cdot y podemos definir una norma

|\boldsymbol{u}|^2 = \boldsymbol{u} \cdot \boldsymbol{u}.

Volviendo a la idea de que tenemos una base \{ e_{\alpha}\}, entonces basta determinar el comportamiento del producto escalar respecto de los elementos de la base:

\boldsymbol{u} \cdot \boldsymbol{v} = u^{\alpha} \boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot v^{\beta} \boldsymbol{e}_{\beta} =

\bigg( = \sum_{\alpha} u^{\alpha} \boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot \sum_{\beta} v^{\beta} \boldsymbol{e}_{\beta} = \sum_{\alpha} \sum_{\beta} u^{\alpha} \boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot v^{\beta} \boldsymbol{e}_{\beta} =

= \sum_{\alpha} \sum_{\beta} u^{\alpha} v^{\beta} (\boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{e}_{\beta} ) = \sum_{\alpha} \sum_{\beta} (\boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{e}_{\beta} ) u^{\alpha} v^{\beta} = \bigg)

= g_{\alpha \beta} u^{\alpha} v^{\beta}

La conmutatividad del producto escalar nos lleva a que g_{\alpha \beta} = g_{\beta \alpha} y un cambio de coordenadas de g_{\alpha \beta} a nuevas coordenadas tilde queda:

g_{\tilde{\alpha} \tilde{\beta}} = \boldsymbol{e}_{\tilde{\alpha}} \cdot \boldsymbol{e}_{\tilde{\beta}} = A^{\alpha}_{\tilde{\alpha}} \boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot A^{\beta}_{\tilde{\beta}} \boldsymbol{e}_b = A^{\alpha}_{\tilde{\alpha}} A^{\beta}_{\tilde{\beta}} \boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{e}_{\beta} = A^{\alpha}_{\tilde{\alpha}} A^{\beta}_{\tilde{\beta}} g_{\alpha \beta}

Podemos definir el producto escalar como:

g(u,v) := u \cdot v

que es una 2-forma, g:T_pM \times T_pM \longrightarrow \mathbb{K} , o un tensor dos veces covariante, ya hablaremos.

En el caso particular de \mathbb{R}^3  tenemos:

g_{i j} = \delta_{i j} := \left(  \begin{array}{ccc}  1 & 0 & 0 \\  0 & 1 & 0 \\  0 & 0 & 1  \end{array}  \right)

donde, si tenemos \boldsymbol{u} = \boldsymbol{u}^i = (u^1, u^2, u^3)^T en la base \{ \boldsymbol{e}_i\}:

|\boldsymbol{u}|^2 = \boldsymbol{u} \cdot \boldsymbol{u} = \delta(\boldsymbol{u},\boldsymbol{u}) = \delta_{ij} u^i u^j = (\sum_i \sum_j \delta_{ij} u^i u^j) = u_j u^j =

= (u^1)^2 + (u^2)^2 + (u^3)^2.

que es siempre positiva para todos los vectores salvo para el \boldsymbol{0}. Nos ha aparecido en el cálculo, al multiplicar la matriz de la métrica por el primer vector, el mismo vector pero ahora como 1-forma: u_i = (u^1, u^2, u^3), en la base {\boldsymbol{e}^i}. Además, hemos visto como la métrica nos a permitido bajar un índice. Ya volveremos sobre esto.

y en \mathbb{M}^4:

g_{\alpha \beta} = \eta_{\alpha \beta} := \left(  \begin{array}{cccc}  -1 & 0 & 0 & 0 \\  0 & 1 & 0 & 0 \\  0 & 0 & 1 & 0 \\  0 & 0 & 0 & 1  \end{array}  \right).

En este caso, \eta_{\alpha \beta} u^\alpha u^{\beta} = -(u^0)^2 + (u^1)^2 + (u^2)^2 + (u^3)^2, dado lugar a tres clases de vectores en función del valor de su norma: espaciales, con norma positiva, temporales, con norma negativa y luminosos, con norma 0.

Para terminar, nos habla de las 1-formas, que nos son mas que operadores lineales \tilde{\boldsymbol{k}} que a partir de un vector \boldsymbol{v} nos devuelve un escalar \phi:

\phi = \langle \tilde{\boldsymbol{k}}, \boldsymbol{v} \rangle.

Desde el punto de vista del espacio vectorial V, las 1-formas son elementos del espacio dual V^* (elementos del tipo \boldsymbol{\tilde{k}}: V \longrightarrow \mathbb{K}). Si volvemos a mirar componentes, la acción de la 1-forma queda totalmente determinada, debido a la linealidad, por su acción sobre los elementos de la base \{ \boldsymbol{e}_\alpha\}:

\tilde{k_{\alpha}} = \langle \boldsymbol{\tilde{k}}, \boldsymbol{e}_{\alpha} \rangle

de manera que si \boldsymbol{v} = v^{\alpha} \boldsymbol{e}_{\alpha} tenemos:

\langle \boldsymbol{\tilde{k}}, \boldsymbol{v} \rangle = \langle \boldsymbol{\tilde{k}}, v^{\alpha}\boldsymbol{e}_{\alpha} \rangle = \langle \boldsymbol{\tilde{k}}, \boldsymbol{e}_{\alpha} \rangle v^{\alpha} = \tilde{k_{\alpha}}v^{\alpha}.

Por tanto,

Como tenemos una métrica, podemos relacionar cualquier vector \boldsymbol{k} con una 1-forma \boldsymbol{\tilde{k}} de manera que:

\langle \boldsymbol{\tilde{k}}, \boldsymbol{v} \rangle = \boldsymbol{k} \cdot \boldsymbol{v}

es decir, que dado \boldsymbol{k} \in V entonces le asociamos \boldsymbol{\tilde{k}} \in V^*:

\boldsymbol{\tilde{k}}: V \longrightarrow \mathbb{K} \,/\, v \mapsto \boldsymbol{\tilde{k}}(v) = \langle \boldsymbol{\tilde{k}}, \boldsymbol{v} \rangle = \boldsymbol{k} \cdot \boldsymbol{v}

¿Y cuales son sus componentes \tilde{k}_{\alpha}? Sencillamente:

\tilde{k}_{\alpha} = \langle \boldsymbol{\tilde{k}}, \boldsymbol{e}_{\alpha} \rangle = \boldsymbol{k} \cdot \boldsymbol{e}_{\alpha} = k^{\beta} \boldsymbol{e}_{\beta} \cdot \boldsymbol{e}_{\alpha} = g_{\alpha \beta} k^{\beta}.

De la misma manera:

k^{\alpha} = g^{\alpha \beta} \tilde{k}_{\beta}, donde g^{\alpha \beta} es la inversa de g_{\alpha \beta} (g^{\alpha \beta}g_{\beta \gamma} = \delta^{\alpha}_{\gamma}).

Finalmente, se puede demostrar que g^{\alpha \beta} \tilde{k}_{\alpha} \tilde{l}_{\beta} = \boldsymbol{k} \cdot \boldsymbol{l}.

Acabo de “tropezarme” por primera vez con Christopher Hirata. La verdad, no lo conocía. Me han sorprendido muchisimo algunas similitudes entre su vida y la de Terry Tao cambiando, obviamene, las matemáticas por la física.

Hirata nace en 1982, Tao en 1975. Hirata gana una medalla de oro en la IPhO en 1996 a los 13 años y Tao gana la de oro en la IMO del 1988 también con los mismos años. Hirata entra en el Calthec a los 14 y recibe un PhD en física a los 22 en Princeton mientras que Tao entra con 14 en Flinders y recibe un PhD en matemáticas a los 20 años también en Princeton. Sorprendente… (Para los que crean en el IQ, yo tengo mis reservas sobre estos índices de inteligencia, dicen que Hirata tiene 225 y Tao 230).

Al margen de curiosidades, vamos a ir comentando a lo largo de unos cuantos posts  su curso sobre relatividad general (GR: General Relativity). Comentaremos lo allí expuesto y lo intentaremos completar desde un punto de vista de la geometría diferencial y Riemanniana.

Cuando exigimos que las funciones de transición del atlas que recubre una variedad diferenciable sean holomorfas podemos decir que tenemos una variedad compleja. En particular, toda variedad compleja de dimensión n será una variedad diferenciable de dimensión 2n dotada de una orientación natural. Las superfícies de Riemann, o los grupos de Lie con operaciones de grupo holomorfas son ejemplos de variedades complejas.

Las variedades lorentzianas son importantes en relatividad general. La mecánica cuántica tiene su base matemática en los espacios de Hilbert complejos separables (L^2(\mathbb{R}) o \mathbb{C}^{2n+1}).

Existen diferentes maneras de definir el cuerpo de los números complejos. La mas intuitiva es hacer tomar el conjunto \mathbb{R} \times \mathbb{R} y definir las operaciones internas:

  • (x_1,y_1) + (x_2,y_2) = (x_1+x_2,y_1+y_2) .
  • (x_1,y_1) \cdot (x_2,y_2) = (x_1 x_2 - y_1 y_2, x_1 y_2 + x_2 y_1).

con (x_1,y_1), (x_2, y_2) \in \mathbb{R} \times \mathbb{R}. Es sencillo comprobar que \mathbb{C} := (\mathbb{R} \times \mathbb{R}, +, \cdot) tiene estructura de cuerpo.

Otra manera mas elegante es ver que \mathbb{C} \cong \frac{\mathbb{R}[x]}{(x^2+1)} donde (x^2+1) es el ideal generado por el polinomio irreducible x^2+1 \in \mathbb{R}[x], pues existe una propiedad que nos dice que un anillo conciente de este tipo tiene estructura de cuerpo.

El análisis complejo se encarga del estudio de las funciones de variable compleja. En próximos posts exponemos de manera breve algunos de los contenidos básicos del área: funciones analíticas, funciones holomorfas, funciones elementales, integración en el plano complejo con formula y teorema de Cauchy y teoremas de Laurent y de los residuos con algunas aplicaciones.

La hidrodinámica (HD) es la parte de la física que estudia la dinámica de los fluidos tanto incompresibles, los líquidos, como compresibles, los gases o los líquidos a alta presión (de hecho, todos los fluidos son compresibles, siendo la incompresibilidad una aproximación para simplificar las ecuaciones que describen su dinámica).

La magnetohidrodinámica (MHD) estudia la dinámica de fluidos conductores de electricidad en presencia de campos electromagnéticos. El conjunto de ecuaciones que describen la MHD son una combinación de las ecuaciones de Navier Stokes de la dinámica de fluidos y las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo que deben ser resueltas simultaneamente.

Cuando tenemos flujos a velocidades cercanas a la velocidad de la luz entonces hablamos de hidrodinámica en relatividad especial (SRHD) y magnetohidrodinámica en relatividad especial (SRMHD).

Finalmente, cuando el fluido está en presencia de fuertes campos gravitatorios, como por ejemplo en presencia de objetos compactos, hablamos de hidrodinámica y magnetohidrodinámica en relatividad general (GRHD y GRMHD).

agosto 2017
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