微分几何:曲面与坐标系

在曲面的每个点上,都有其自身的局部几何结构,即该处距离运作的独特规律。ggg 的值是位置的函数。它们会随着你的移动而变化。

这正是使度规成为一个场field,而不仅仅是一个数字的原因。它同时存在于曲面的每个位置,默默地编码着每个位置的曲率。

正如一个函数为每个点赋予一个值,度量也会为每个点赋予一组 ggg 个值。原理相同,但对象更丰富。

如果你知道每个点的 ggg 值,也就是完整的度量场,你就完全掌握了几何结构。不仅是形状,还包括每个位置上的距离和角度如何运作。从这个意义上说,从几何角度来看,度规就是表面。

对于球体,ggg 值随纬度变化。在两极附近,经线密集聚集,度规反映了这一点。对于平面,它们在各处都是恒定的。对于鞍面,它们告诉你曲面在不同方向上的弯曲方式各不相同。

曲面不仅仅是你从外部看到的图像。它是所有这些局部测量值的集合,被缝合在一起。

我们所看到的是一种嵌入embedding,球体置于三维空间中,从外部可见。但度量是曲面从内部对自己所认知的。无需外部视角。

极点并非球体本身的特质。它们是我们叠加在球体上的坐标系所赋予的特质。经线在极点附近聚集,是纬度和经度的特征是我们选择描述球体的方式,而非球体本身的特征。

球体并不知道它的两极在哪里。

微分几何使用坐标系,但其最深奥的结论并不依赖于坐标系。真正的几何量,曲率、距离、角度,无论你选择哪种坐标系,它们都保持不变。我们说它们是不变的。

当你改变坐标系时,度量张量 的分量会发生变化。但它所编码的距离  却保持不变。张量的变换方式恰到好处,使得底层的几何结构得以完整保留。

这有点像,地球球体本身并不了解经纬度。但如果你测量两点之间的实际距离,无论使用哪张地图,得到的答案都是一样的。

从这里出发,我们有几条自然的道路。

其一是曲率curvature本身。它内在的真正含义,以及球面与圆柱面之间那种无法通过坐标系消除的差异。高斯曲率Gaussian curvature,是曲面自身所知晓的特质。

其二是测地线geodesic。曲面上可能存在的最直路径。当你脚下的地面弯曲时,"直"究竟意味着什么。

再往前走,爱因斯坦正等待着。那是引力化作几何的瞬间。

相关推荐
三品吉他手会点灯1 天前
C语言学习笔记 - 44.运算符和表达式 - 运算符2 - 除法与取余运算符
c语言·开发语言·笔记·算法
2601_colin1 天前
Codex插件全流程实战指南
开发语言·经验分享·笔记·微信开放平台
疯狂打码的少年1 天前
输入输出控制方式:DMA(直接存储器存取)
网络·笔记
cuso4win1 天前
Feed 流面试笔记
笔记·面试·职场和发展
GNG1 天前
《终身成长》读书笔记
笔记·学习
Cloud_Shy6181 天前
解读《Effective Python 3rd Edition》:从练气到老魔(第三章 Item 21 - 24)
开发语言·人工智能·笔记·python·迭代器模式
nnsix1 天前
Unity HybirdCLR 简单了解 笔记
笔记
handler011 天前
【算法】并查集(普通/扩展/带权)模板与例题
数据结构·c++·笔记·算法·c·图论·查并集
中屹指纹浏览器1 天前
指纹浏览器环境克隆、批量派生的风控隐患剖析与标准化新建环境实操指南
经验分享·笔记
.千余1 天前
【C++】C++手写Vector容器:从底层源码模拟实现
开发语言·c++·经验分享·笔记·学习