Summary
Two features of the local embedding problem of relativistic manifolds are discussed. It is first shown how preferred co-ordinates can be found, and a set of « potentials » introduced, such that the curved metric becomes unambiguously decomposed in a flat metric plus a genuine gravitational part. This decomposition of the metric holds locally, at least, over that extended space-time region corresponding to the co-ordinate patch of the local embedding. Next, the transformation group which preserves the form invariance of this decomposition of the metric is presented. It corresponds to a well-known enlarged Poincaré group, with the characteristic property, however, that the « potentials » are transformed conjointly with the preferred co-ordinates.
Riassunto
Si disoutono due aspetti del problema dell’inserimento locale delle molteplicità relativistiche. Dapprima si mostra come si possono ottenere le coordinate privilegiate e si può introdurre un insieme di « potenziali » in maniera che la metrica curva venga decomposta esplicitamente nella metrica piana più una parte gravitazionale pura. Questa decomposizione della metrica rimane valida localmente, almeno, nella regione dello spazio-tempo che si estende in corrispondenza della zona di coordinate dell’inserimento locale. Poi si presenta il gruppo di trasformazioni che conserva l’invarianza della forma per questa decomposizione della metrica. Si vede che esso corrisponde al ben noto gruppo di Poincaré allargato, con la proprietà caratteristica, però, che i « potenziali » sono trasformati congiuntamente alle coordinate privilegiate.
Резюме
Обсуждаются две особ енности локальной проблемы включения д ля релятивистских мн ожеств. Сначала показ ывается, как могут быт ь найдены преи Сначала показываетс я, как могут быть найде ны преимущественные координаты и может бы ть введена система « п отенциалов », таких, чт о искривленная м преимущественные ко ординаты и может быть введена система « пот енциалов », таких, что и скривленная метрика может быть однозначн о разложена на плоску ю метрику плюс истинн ую гравитационную ча сть. система « потенциало в », таких, что искривле нная метрика может бы ть однозначно разлож ена на плоскую метрик у плюс истинную грави тационную часть. Это р азложение метрики вы полняется локально, п о крайней мере, по всей протяженной простра нственн метрика может быть од нозначно разложена н а плоскую метрику плю с истинную гравитаци онную часть. Это разло жение метрики выполн яется локально, по кра йней мере, по всей прот яженной пространств енно-временной облас ти, соответствующей у частку координат для локального включени я. Затем приводится метрику плюс истинну ю гравитационную час ть. Это разложение мет рики выполняется лок ально, по крайней мере, по всей протяженной п ространственно-врем енной области, соотве тствующей участку ко ординат для локально го включения. Затем пр иводится трансформа ционная группа, котор ая сохраняет инвариа нтность формы этого р азложения метрики. Эт а гру разложение метрики в ыполняется локально, по крайней мере, по все й протяженной простр анственно-временной области, соответству ющей участку координ ат для локального вкл ючения. Затем приводи тся трансформационн ая группа, которая сох раняет инвариантнос ть формы этого разлож ения метрики. Эта груп па соответствует хор ошо известной расшир енной группе Пуанкар е, которая обладает ха рактерным свойс мере, по всей протяжен ной пространственно-временной области, со ответствующей участ ку координат для лока льного включения. Зат ем приводится трансф ормационная группа, к оторая сохраняет инв ариантность формы эт ого разложения метри ки. Эта группа соответ ствует хорошо извест ной расширенной груп пе Пуанкаре, которая о бладает характерным свойством, что « потен циалы » преобразуютс я совместно с преимущ ественными координа тами. области, соответству ющей участку координ ат для локального вкл ючения. Затем приводи тся трансформационн ая группа, которая сох раняет инвариантнос ть формы этого разлож ения метрики. Эта груп па соответствует хор ошо известной расшир енной группе Пуанкар е, которая обладает ха рактерным свойством, что « потенциалы » пре образуются совместн о с преимущественным и координатами. локального включени я. Затем приводится тр ансформационная гру ппа, которая сохраняе т инвариантность фор мы этого разложения м етрики. Эта группа соо тветствует хорошо из вестной расширенной группе Пуанкаре, кото рая обладает характе рным свойством, что « п отенциалы » преобраз уются совместно с пре имущественными коор динатами. трансформационная г руппа, которая сохран яет инвариантность ф ормы этого разложени я метрики. Эта группа с оответствует хорошо известной расширенн ой группе Пуанкаре, ко торая обладает харак терным свойством, что « потенциалы » преобр азуются совместно с п реимущественными ко ординатами. инвариантность форм ы этого разложения ме трики. Эта группа соот ветствует хорошо изв естной расширенной г руппе Пуанкаре, котор ая обладает характер ным свойством, что « по тенциалы » преобразу ются совместно с преи мущественными коорд инатами. группа соответствуе т хорошо известной ра сширенной группе Пуа нкаре, которая облада ет характерным свойс твом, что « потенциалы » преобразуются совм естно с преимуществе нными координатами. группе Пуанкаре, кото рая обладает характе рным свойством, что « п отенциалы » преобраз уются совместно с пре имущественными коор динатами. свойством, что « потен циалы » преобразуютс я совместно с преимущ ественными координа тами. с преимущественными координатами.
Similar content being viewed by others
References
See, for example,C. Fronsdal:Nuovo Cimento,13, 987 (1959); D. W. Joseph:Phys. Rev., 126, 319 (1962). See also several papers of the symposium on particle symmetries and the embedding problem, held at the Southwest Center for Advanced Studies (Dallas, Tex., 1964), published inRev. Mod. Phys., 37, 201 (1965).
In general, we say that an m-dimensional Riemannian metricg^ is of classp if the minimal flat embedding space of gμν is of dimensionsN =m + p, wherem ⩽N ⩽ ⩽1/2 m(m + 1); local embedding is here alluded, to be sure; cf.L. P. Eisenhart:Riemannian Geometry (Princeton, N. J., 1926), p. 187.
A. Friedman:Journ. Math. Mech.,10, 625 (1961).
It is not known, at present, whether, for a given indefinite Riemannian manifold, a global isometric embedding into some flat space with suitable signature is always possible. For positive-definite Riemannian metrics a global isometric flat embedding is always possible;J. Nash:Ann. Math.,63, 20 (1956).
Compare, for instance,E. Kasner:Am. Journ. Math.,43, 130 (1921), with C. Fronsdal:Phys. Rev., 116, 778 (1959), where the Schwarzschild line element is embedded in six dimensions, locally and globally, respectively, Kasner’s local embedding embraces the co-ordinate patch corresponding to the whole external Schwarzschild solution, although not the complete analytic extension of the Schwarzschild manifold, as Fronsdal does.
The analytic method of approach to the embedding problem raises the question: given a curved relativistic metric, to find the minimal flat space able to host (isometrically and locally) the given metric. Several interesting results have been derived in this way; see, for instance,J. Rosen:Rev. Mod. Phys.,37, 204 (1965). The synthetic method proceeds thus with a problem somehow converse to the problem tackled in the analytic approach. Clearly, both methods complement each other.
A. Friedman:Journ. Math. Mech.,10, 625 (1961).
L. P. Eisenhart:Riemannian Geometry (Princeton, N.J., 1926), p. 143.
This is not a serious drawback, however. It is well known that the principle of general covariance is devoid of physical content, and that any physical theory can be formulated in a generally covariant manner.E. Kretchmann:Ann. der Phys.,53, 575 (1917); A. Einstein:Ann. der Phys., 55, 241 (1918). Moreover, there is nothing prohibiting in principle the use of well-defined co-ordinate systems in general relativity. This point has been stressed by V. Fock:Rev. Mod. Phys., 29, 325 (1957). Yet, the « well defined » co-ordinates have to be « general enough » as to permit handling the theory in a fruitful manner. One allows a class of preferred co-ordinates if, by adopting them, one introduces a group of transformations of inherent physical interest.
See, for instance, M. Hamermesh:Group Theory (Reading, Mass., 1962), p. 478.
For a brief review on the role of flat-metric fields in general relativity, seeW. R. Davis:Nuovo Cimento,43 B, 200 (1966).
For example, the Schwarzschild line element can be put in the form ds2 = = c2dt2−dr2 √2(dθ2 + sin2θ dϕ2) − (2km/c2r) su2 dt2 + [1 − (2km/c2r)]−1 dr2, where the « flat metric » appears separated from the « curved » terms. However, this « flat metric » is a purely formal co-ordinate artifact since the co-ordinate timet isnot the preferred co-ordinate time X0, neither in Fronsdal’s (cf.loc. cit. ref. (7)) nor in Kasner’s (cf.loc. cit. ref. (7)) embeddings. That those «decompositions» of the metric can be highly arbitrary is also shown by the following extreme instance: theflat space-time line element, when wo transform to a uniformly rotating system of co-ordinates, can be put in the form ds2 = c2dt2 − dx2− dy2− dz2 − (ω/c)2(x2+ y2)c2dt2+ 2ωydt dx -2ωx dt dy, where the «flat metric» appears separated from the «curved» terms!
Cf.E. Penrose:An Analysis of the Structure of Space-Time (Princeton, N.J., 1966).
E. L. Schücking: inRelativity Theory and Astrophysics, edited byJ. Ehlers, Vol. 1 (Prondence, R. I., 1967), p. 221.
See, for instance,Y. Ne’eman:Rev. Mod. Phys.,37, 227 (1965); Y. Ne’eman and J. Rosen:Particle symmetries and space-time curvature, Caltec preprint (1964); C. Fronsdal:Nuovo Cimento, 13, 987 (1959);Rev. Mod. Phys., 37, 221 (1965); D. W. Joseph:Phys. Rev., 126, 319 (1962);Rev. Mod. Phys., 37, 225 (1965).
In this respect, our work comes particularly close to Joseph’s method of attack on the problem of finding all representations of the group of co-ordinate transformations in curved space-time via its flat isometric embedding; cf.D. W. Joseph:Phys. Rev.,126, 319 (1962);Rev. Mod. Phys., 37, 225 (1965). There are substantial differences, however, for Joseph does not incorporate the transformations of the « potentials » in « isotopic » hyperspace, and Ms « hyperplane approximation » does not correspond to our proposed mapping between flat space-time and the embedded patch via the adapted co-ordinates, cf. eq. (7).
Author information
Authors and Affiliations
Additional information
To speed up publication, the author of this paper has agreed to not receive the proofs for correction.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Krause, J. Embedding approach to a restricted covariance group in general relativity. Nuov Cim B 18, 302–310 (1973). https://doi.org/10.1007/BF02904044
Received:
Revised:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/BF02904044