Torsionstensor

Der Torsionstensor ist ein mathematisches Objekt aus dem Bereich der Differentialgeometrie. Eingeführt wurde dieses Tensorfeld von Élie Cartan in seinen Studien zur Geometrie und Gravitation.^[1]

Sei ${\displaystyle (M,\nabla )}${\displaystyle (M,\nabla )} eine differenzierbare Mannigfaltigkeit zusammen mit einem affinen Zusammenhang ${\displaystyle \nabla }${\displaystyle \nabla }. Der Torsionstensor ${\displaystyle T}${\displaystyle T} ist ein Tensorfeld, das durch

${\displaystyle T(X,Y)=\nabla _{X}Y-\nabla _{Y}X-[X,Y]}${\displaystyle T(X,Y)=\nabla _{X}Y-\nabla _{Y}X-[X,Y]}

definiert ist. Dabei sind ${\displaystyle X,Y\in \Gamma (TM)}${\displaystyle X,Y\in \Gamma (TM)} zwei Vektorfelder und ${\displaystyle [\cdot ,\cdot ]}${\displaystyle [\cdot ,\cdot ]} stellt die Lie-Klammer dar.^[2]

Sei ${\displaystyle e_{1},\ldots ,e_{n}}${\displaystyle e_{1},\ldots ,e_{n}} ein lokaler Rahmen des Tangentialbündels ${\displaystyle TM}${\displaystyle TM}. Das sind Schnitte im Tangentialbündel, die in jedem Tangentialraum eine Vektorraumbasis bilden. Setzt man ${\displaystyle X:=e_{i}}${\displaystyle X:=e_{i}}, ${\displaystyle Y:=e_{j}}${\displaystyle Y:=e_{j}} und ${\displaystyle \gamma _{ij}^{k}e_{k}:=[e_{i},e_{j}]}${\displaystyle \gamma _{ij}^{k}e_{k}:=[e_{i},e_{j}]}, dann gilt für die Komponenten ${\displaystyle T_{ij}^{k}}${\displaystyle T_{ij}^{k}} des Torsionstensors in lokalen Koordinaten

${\displaystyle T^{k}{}_{ij}=\Gamma ^{k}{}_{ij}-\Gamma ^{k}{}_{ji}-\gamma ^{k}{}_{ij},\quad i,j,k=1,2,\ldots ,n.}${\displaystyle T^{k}{}_{ij}=\Gamma ^{k}{}_{ij}-\Gamma ^{k}{}_{ji}-\gamma ^{k}{}_{ij},\quad i,j,k=1,2,\ldots ,n.}

Dabei bezeichnen die Symbole ${\displaystyle \Gamma _{ij}^{k}}${\displaystyle \Gamma _{ij}^{k}} die Christoffel-Symbole. Da es immer möglich ist, den lokalen Rahmen so zu wählen, dass die Lie-Klammer überall verschwindet, gilt in diesen Koordinaten für die Komponenten des Tensorfelds

${\displaystyle T^{k}{}_{ij}=\Gamma ^{k}{}_{ij}-\Gamma ^{k}{}_{ji},\quad i,j,k=1,2,\ldots ,n.}${\displaystyle T^{k}{}_{ij}=\Gamma ^{k}{}_{ij}-\Gamma ^{k}{}_{ji},\quad i,j,k=1,2,\ldots ,n.}

• Der Torsionstensor ist ein (2,1)-Tensorfeld, ist also insbesondere ${\displaystyle C^{\infty }}${\displaystyle C^{\infty }}-linear in seinen drei Argumenten.
• Der Torsionstensor ist schiefsymmetrisch, das heißt, es gilt ${\displaystyle T(X,Y)=-T(Y,X)}${\displaystyle T(X,Y)=-T(Y,X)}.

Ein affiner Zusammenhang ${\displaystyle \nabla }${\displaystyle \nabla } heißt symmetrisch oder torsionsfrei, wenn der Torsionstensor verschwindet, wenn also

${\displaystyle T(X,Y)=0}${\displaystyle T(X,Y)=0}

oder äquivalent

${\displaystyle \nabla _{X}Y-\nabla _{Y}X=[X,Y]}${\displaystyle \nabla _{X}Y-\nabla _{Y}X=[X,Y]}

gilt. Der wichtigste symmetrische Zusammenhang ist der Levi-Civita-Zusammenhang, der zusätzlich noch metrisch ist.

Für symmetrische Zusammenhänge kann eine Art Verallgemeinerung des Satzes von Schwarz für differenzierbare Kurven bewiesen werden. Sei ${\displaystyle M}${\displaystyle M} eine differenzierbare Mannigfaltigkeit mit symmetrischem Zusammenhang ${\displaystyle \nabla }${\displaystyle \nabla } und ${\displaystyle c\colon \left]-\epsilon ,\epsilon \right[\times \left]a,b\right[\to M}${\displaystyle c\colon \left]-\epsilon ,\epsilon \right[\times \left]a,b\right[\to M} eine glatte Homotopie von glatten Kurven, dann gilt

${\displaystyle \nabla _{\frac {\partial }{\partial s}}{\frac {\partial }{\partial t}}c(s,t)=\nabla _{\frac {\partial }{\partial t}}{\frac {\partial }{\partial s}}c(s,t),円.}${\displaystyle \nabla _{\frac {\partial }{\partial s}}{\frac {\partial }{\partial t}}c(s,t)=\nabla _{\frac {\partial }{\partial t}}{\frac {\partial }{\partial s}}c(s,t),円.}

Einfach ausgedrückt kann im Fall eines symmetrischen Zusammenhangs also die Ableitung nach ${\displaystyle s}${\displaystyle s} mit der nach ${\displaystyle t}${\displaystyle t} vertauscht werden.^[3]

• Torsion tensor. In: Michiel Hazewinkel (Hrsg.): Encyclopedia of Mathematics . Springer-Verlag und EMS Press, Berlin 2002, ISBN 1-55608-010-7 (englisch, encyclopediaofmath.org). 

1. ↑ Elie Cartan: On manifolds with an Affine Connection and the Theory of General Relativity (= Monographs and Textbooks in Physical Science 1). Bibliopolis, Neapol 1986, ISBN 88-7088-086-9 (Engl. transl. of French original 1922/23: Sur les variétés à connexion affine et la théorie de la relativité généralisée).
2. ↑ John M. Lee: Riemannian Manifolds. An Introduction to Curvature (= Graduate Texts in Mathematics 176). Springer, New York NY u. a. 1997, ISBN 0-387-98322-8, S. 68.
3. ↑ John M. Lee: Riemannian Manifolds. An Introduction to Curvature (= Graduate Texts in Mathematics 176). Springer, New York NY u. a. 1997, ISBN 0-387-98322-8, S. 97–98.

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