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Recursos que muestran cómo utilizar las formas diferenciales en Física

Llevo un tiempo aprendiendo sobre multivectores y formas y cómo simplifican muchas cosas que en el simple cálculo vectorial parecen complicadas. El único problema hasta ahora es que a diferencia del cálculo vectorial, no estoy siendo capaz de captar cómo usar esos objetos en Física.

Por ejemplo, sé que un k -cuchilla representa una pieza orientada de k -de un espacio vectorial, sé que k -formas representa formas de "mediciones" de esos multivectores, y todas esas cosas, pero simplemente no sé cómo usarlas en la práctica como he aprendido en el pasado con el producto punto, el producto cruz, la integración en el plano y el espacio, etc.

¿Existe algún libro que muestre estas cosas de forma adecuada para un físico ? Sé que hay muchos libros buenos para los matemáticos, pero se centran principalmente en demostrar las consecuencias de las definiciones, en lugar de aplicarlas. Estoy buscando algo que muestre cómo aplicar realmente en la Física todos los elementos del cálculo sobre variedades.

Lo que realmente quiero decir es lo siguiente: la mayoría de los libros de matemáticas sobre los temas dicen cómo demostrar teoremas solamente. Y muchas veces veo la exposición y pienso "no es posible usar esto en la práctica" mientras que hay toneladas de interpretaciones y usos en Física. No he encontrado todavía un libro que muestre esto.

Sólo un ejemplo de lo que digo: en electrostática partimos de la ley de Coulomb que nos da la fuerza eléctrica entre dos cargas. A partir de ella y del principio de superposición obtenemos una expresión para el campo eléctrico. Todo esto se hace con vectores, de modo que cuando estudiamos esos objetos utilizamos la divergencia, el rizo y toda esa maquinaria del cálculo vectorial. Parece sencillo representar esas cosas como vectores, pero no parece obvio hacerlo con formas. De hecho, ni siquiera sé cómo escribir esto en términos de formas sin escribir primero con vectores y luego transformar con una métrica.

EDITAR: Estoy buscando principalmente los recursos que cubre este tema en las líneas que el cálculo vectorial es parece en el libro de Arfken "Métodos matemáticos para los físicos" y los capítulos introductorios en Griffith "Introducción a la Electrodinámica" y Marion "Dinámica clásica de partículas y sistemas". No sé si este tipo de recurso puede ayudar, pero pensé que esta edición podría concretar mi pregunta.

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Sean Bannister Puntos 141

Kyle Kanos mencionó Álgebra geométrica para físicos . Aunque la notación del álgebra geométrica es algo diferente a la de las formas diferenciales, los conceptos básicos están todos ahí y, en muchos sentidos, el álgebra geométrica evita algunas cosas engorrosas que las formas diferenciales (estoy pensando en la dualidad de Hodge en particular). Creo que la notación es más fácil de relacionar con el cálculo vectorial que con las formas diferenciales.

El libro en sí es una introducción de nivel intermedio al álgebra geométrica, con un énfasis significativo en las aplicaciones. Los primeros capítulos tratan los aspectos básicos: el álgebra en sí, las operaciones de multiplicación, el álgebra lineal y el cálculo de campos multivectoriales.

Todos ellos son esenciales para las aplicaciones que se comentan. La electrodinámica y la relatividad especial constituyen el primer gran tema. Habiendo mostrado la forma de las rotaciones utilizando rotores tipo cuaternión en 3d, los pasajes de la relatividad especial hacen buen uso de una construcción similar para los impulsos de Lorentz. También se discute el campo EM como bivector, así como la forma de las ecuaciones de Maxwell utilizando el cálculo geométrico y el álgebra del espaciotiempo.

A continuación, el libro pasa a explorar las aplicaciones hacia la mecánica cuántica. Creo que éste era uno de los principales objetivos de los autores, pero para mí, esta sección era considerablemente menos clara o elegante. Los autores se limitan a tratar las partículas de espín-1/2, mostrando que el álgebra de espín-1/2 es idéntica al álgebra del espaciotiempo, y que las operaciones de espín pueden entenderse geométricamente. Todo esto está muy bien, pero creo que es bastante insuficiente, y se habría justificado alguna consideración o tratamiento de cómo el AG podría utilizarse ampliamente para la mecánica cuántica.

En la cola de esto se encuentra una estancia en la relatividad general, motivada en parte por tratar de generalizar la ecuación de Dirac. Así, en lugar de la RG clásica propiamente dicha, obtenemos algo así como una alternativa al formalismo de Cartan. Creo que este es un punto de gran interés, ya que el uso de la AG aquí consigue desmitificar mucha manipulación tensorial inherente a la RG. Esta sección contiene un ejemplo bien trabajado y extendido a los espacios-tiempo esféricamente simétricos, así como una breve discusión de los espacios-tiempo axialmente simétricos, por lo que se consideran tanto los agujeros negros de Schwarzchild como los de Kerr, junto con las estrellas y las cuerdas cósmicas.

El libro es algo sofisticado. Los capítulos introductorios podrían ser razonables para aprender AG (y algunos de los conceptos que se aplican a las formas diferenciales; algunos de los pasajes más inclinados a las matemáticas sobre el cálculo geométrico detallan extensamente la relación entre los campos multivectoriales y las formas diferenciales), pero yo consideraría un material introductorio más ligero para una primera lectura. Los libros de Alan MacDonald sobre GA y GC están más centrados en las matemáticas, pero también están dirigidos a estudiantes de grado, así que para una base matemática pura, creo que son un mejor comienzo. Para las aplicaciones, GA para físicos es muy sólido, tocando la electrodinámica, la cuántica y la relatividad general, con una pizca de dinámica de cuerpos rígidos (que se simplifica enormemente usando rotores de GA).

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JamalS Puntos 7098

Si desea obtener rápidamente una comprensión de los fundamentos de las formas diferenciales, incluida su relación con las conexiones, los haces tangentes, etc. Recomiendo las primeras 4 conferencias en línea del Instituto del Perímetro del curso de Física Gravitacional (13/14, R. Gregory).

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Para empezar, podrías echar un vistazo al artículo "Differential forms for scientists" de J.B. Perot, Journal of Computational Physics, 2014, Vol. 257 Part B, me resultó útil.

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