В этом параграфе мы введём хронометрические дифференциальные операторы

и

, выясним их смысл и рассмотрим их действие на хинвариантах и некоторых хитензорах.
Ниже будут использованы:
Стандартное обозначение для коммутатора двух операторов
![$$\left[ A,B \right] \equiv A \, B- B \, A .$$ $$\left[ A,B \right] \equiv A \, B- B \, A .$$](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/a/7/2/a72257c3bcec5f329971b552f7a1132382.png)

Сокращённое обозначение для циклической суммы


Тот факт, что в приведенной выше краткой записи циклической суммы можно циклически же переставлять индексы в "циклируемом" выражении

§7 Хронометрическое дифференцированиеВ предыдущем параграфе мы завершили изучение алгебры хитензоров и теперь переходим к анализу. Другими словами, мы хотим научиться дифференцировать "хорошие" величины так, чтобы получалось тоже что-то "хорошее". Как показано ниже, если просто взять от хинварианта частную производную по какой либо координате, то результат, вообще говоря, не будет ни хинвариантом ни хивектором. Можно, однако, составить такие линейные комбинации частных производных, которые переведут хинвариант снова в хинвариант или сделают из хинварианта хивектор. Приступим к построению таких комбинаций.
Для этого сперва освежим в памяти ряд формул из §2, относящихся к хронометрическим преобразованиям:

Заметим также, что поскольку

и

, то

Рассмотрим произвольный хинвариант

и распишем его "временну́ю" частную производную с учётом приведенных выше равенств:

Замечаем и обозначаем хинвариантную комбинацию

Повторяя выкладки для псевдо-хинварианта

, находим

Результат вполне ожидаемый, поскольку псевдо-хинвариант отличается от хинварианта лишь наличием в законе преобразования дополнительного постоянного множителя

, безразличного к любому дифференцированию. Поэтому все формулы данного параграфа сохраняют свой вид при взаимной замене хитензоров на псевдо-хитензоры того же типа.
Теперь посмотрим на

как на операцию и применим её к произвольному хивектору

:

То есть, хивектор остался хивектором.
Тем же способом находим

Далее, пользуясь правилом дифференцирования произведения

и тем фактом, что любой хитензор можно представить в виде конечной суммы прямых произведений хивекторов (аналогично §6), заключаем, что для произвольного хитензора

справедливо

Итак, операция

переводит произвольный хитензор в хитензор того же типа, но с противоположной

-чётностью.
Любопытно, что

может сделать хинвариантной даже не хинвариантную величину. Например, по доказанному выше,

— хинвариант, хотя

хинвариантом не является.
Вернёмся к произвольному хинварианту

и распишем его "пространственные" частные производные:


Отсюда извлекаем следующий хивектор

Выражения

и

назовём
хронометрическими производными.
Чтобы раскрыть их смысл, внимательно посмотрим на дифференциал

Вспоминая

это выражение можно переписать так

Положим

, тогда

. То есть

является производной от

по собственному времени тела отсчёта (которое, напомним, покоится относительно рассматриваемой системы отсчёта).
Уравнение

задаёт в четырёхмерном пространстве событий локальную гиперплоскость одновременности к событию

. Поэтому величины

представляют собой градиент

, вычисленный в направлении

так, что берётся разность значений

в одновременных точках-событиях.
Мы уже знаем, что

и

— хивекторы. Найдём их разность.



Что с учётом

даёт

Проделаем аналогичные выкладки для "пространственных" компонент



Снова глядя на

, получаем

До этого момента мы использовали только индексную запись хронометрических производных. Для большей наглядности введём также
хронометрические дифференциальные операторы, действующие на функции слева

Эти операторы, рассматриваемые как множители, имеют следующие физические размерности
![$$[[ \partial]]=\text{сек}^{-1} \, , \qquad [[\nabla_i]]=1 \eqno (7,9)$$ $$[[ \partial]]=\text{сек}^{-1} \, , \qquad [[\nabla_i]]=1 \eqno (7,9)$$](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/2/0/2/202af4d409dce06f650370469d7046e582.png)
Теперь

и

можно переписать так
![$$\left\{ {\begin{array}{rcl}
\left[ \nabla_i , \partial \right]&=& \overline f_i \, \partial
\\
\dfrac 1 2 \left[ \nabla_i , \nabla_k \right] &=& \overline {\omega}_{ik} \, \partial
\\
\end{array} } \right. \eqno (7,10)$$ $$\left\{ {\begin{array}{rcl}
\left[ \nabla_i , \partial \right]&=& \overline f_i \, \partial
\\
\dfrac 1 2 \left[ \nabla_i , \nabla_k \right] &=& \overline {\omega}_{ik} \, \partial
\\
\end{array} } \right. \eqno (7,10)$$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/8/d/f/8df9fbd84ffdab3b0f5224a7f48ce53a82.png)
Мы видим, что ненулевые

и

приводят к некоммутативности операторов

, кроме случая действия на не зависящие от

функции.
Продолжим пополнение зоопарка "хороших" величин. Рассмотрим следующее антисимметричное выражение


Откуда следует

Что можно переписать в виде

И это в точности закон преобразования хитензора.
Выражение в левой части

будем называть
хитензор-ротор. Вычислим его значение для хивектора ускорения:
![$\overline f_{i,k} -\langle ik \rangle=-\left[ \dfrac 1 h \left( h_{,i}+a_{i,0} \right) \right]{}_{,k}-\langle ik \rangle=- \dfrac 1 h \, a_{i,0k}+
\dfrac {1} {h^2} \, a_{i,0} h_{,k}-\langle ik \rangle$ $\overline f_{i,k} -\langle ik \rangle=-\left[ \dfrac 1 h \left( h_{,i}+a_{i,0} \right) \right]{}_{,k}-\langle ik \rangle=- \dfrac 1 h \, a_{i,0k}+
\dfrac {1} {h^2} \, a_{i,0} h_{,k}-\langle ik \rangle$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/f/c/5/fc5c830fa1a3f9c2fac41d0c5f5ce1dc82.png)




Возникла (на первый взгляд неожиданная) связь между полями ускорения и вращения системы отсчёта. Однако неизбежность наличия связей между этими двумя хитензорами легко осознать, если вспомнить, что шесть компонент

и

составлены всего из четырёх величин:

и

. Следовательно, уже по этой арифметической причине они не могут быть полностью независимы.
Приведём ещё одну связь подобного рода, опустив её несложный, но достаточно громоздкий вывод:

Отсюда следует, что циклическая сумма

является хитензором.
Докажем, что данное свойство справедливо для любого антисимметричного хитензора. Для этого снова воспользуемся основной идеей §6 и представим произвольный антисимметричный хитензор в виде

, после чего циклическая сумма

примет вид

Теперь заменой

в первом и последнем слагаемом приведём её к очевидно хитензорной форме:

Итак, для любого антисимметричного хитензора

выражение

также является хитензором.
Сворачивая его с

и приводя подобные, приходим к выводу, что выражение

является псевдо-хинвариантом.
Несколько преобразуем его при помощи соотношений из §4:

Рассмотрим ещё хивектор

В завершение перепишем

и

с использованием только "одноиндексных" величин:

Как видим, уже из хивекторов не так-то просто соорудить нечто хитензорное, размахивая наугад хронометрическими производными. Позже мы ведём т.н. "хинвариантные производные", являющиеся аналогом ковариантных производных четырёхмерной геометрии, которые позволят дифференцировать любой хитензор хинвариантным образом. Ну а пока что рассмотренных здесь объектов и доказанных фактов вполне достаточно для перехода к следующим параграфам, где будут рассмотрены уравнения электромагнитного поля.
ЗадачаКак изменяется

при хронометрических преобразованиях?