A NNALES DE L ’I. H. P.
W ILLIAM B OWEN B ONNOR
I. Les équations du mouvement en théorie unitaire d’Einstein-Schrödinger
Annales de l’I. H. P., tome 15, n
o3 (1957), p. 133-145
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I.
Les équations du mouvement
en
théorie unitaire d’Einstein - Schrödinger
par
William Bowen BONNOR.
1. Introduction. --- En Relativité
générale il y
a deuxfaçons
dernontrer que le mouvement de la matière est
impliqué
par leséquations
du
champ.
Lapremière façon
repose surl’emploi
du tenseurd’énergie,
eL la seconde est une méthode
d’approximation d’Einstein,
d’Infeldr
et de Hoffmann.
fi. Le tenseur
d’énergie.
- On utilise leséquations
duchamp
R 03BD
- 2
g 03BD R == 2014 8 7: T 03BD,et les idenlités entre ces
équations
T~’~.., = o. .
Sous sa forme la
plus simple,
cette méthode consiste en ceci : si l’on suppose que la matière a la forme departicules
sans actionréciproque,
on
peut
écrire T 03BD = Pdx ds dx03BD ds
et il est facile de montrer qued2x ds2 + 0393
03B103B2dx03B1 dsdx03B2 ds =
o,de sorte que les
particules
se meuvent lelong
desgéodésiques.
b. La méthode
d’approximation d’Einstein, d’lnfeld
e~ deHoffmann.
- Dans cetteméthode,
le tenseurd’énergie
n’est pas ° utilisé et la matière est considérée comme unesingularité
duchamp.
Les
équations
duchamp
utilisées sont celles duvide,
I~=0.
et la forme nécessaire des identités est
~R~2014 1~~ ==
0.Les traits essentiels de la méthode sont les suivants :
i" C’est une méthode
d’approximalion
danslaquelle
le tenseurfondamental est
exprimé
en fonction d’unparamètre ~ :
(ici,
etailleurs,
les indices latinsprennent
lesvaleurs 1 ,
2,3,
et lesindices grecs
prennent
les valeurs o, I , ce,3).
~°
Après
substitution dans leséquations
duchamp
desquantités
ci-dessus,
la résolution deséquations
parl’usage
despotentiels qui correspondent
à desparticules
neutres, s’effectue parapproximations
successives.
3" Dans les solutions des
équations correspondant
àchaque degré d’approxilnation,
il seprésente
certaines conditionsd’intégrabilité qui Imposent
ladisparition
de certainesintégrales
de surface0mnm
dS = o, dS = o.Ici les A sont des combinaisons de certains termes des
équations
duchamp,
ycom.pris
les termes nonlinéaires,
etquelques-uns
des termeslinéaires. Les
équations
du mouvement résultent de cesintégrales.
~. La théorie d’Einstein-Maxwell. - - En théorie de Relativité
classique, l’électromagnétisme
est introduit. en écrivant leséquations
de Maxwell sous forme
tensorielle,
pt en faisant entierl’énergie
électromagnétique
dans le tenseurd’énergie.
Si la matière seprésente
seulement comme des
singularités
duchamp,
leséquations
duchamp
sont
.
J’appellerai
cettethéorie,
théorie d’Einstein-Maxwell. J’aimeraissouligner
que cette théorie est, entre ceslimites,
et autantqu’on sache,
une union satisfaisante de lagravitation
et del’électromagné-
tisme au
point
de vuephénoménologique.
Enparticulier,
elle donne leséquations
du mouvement pour lesparticules chargées.
3. La théorie du champ unifié
d’Einstein-Schrôdinger.
- Par théorie duchamp
unitaired’Einstein-Schrôdinger, je désigne
l’en-semble des
équations
Ces notations sont maintenant
adoptées
saufpeut-être
lavirgule qu.i
dénolc ici la différentiation
partielle :
~~"~~’~’ __ ~
°On ne peut pas obtenu les
équations
du mouvement desparticules chargées
en théoried’Einstein-Schrödinger
u l’aide de l’une oul’autre des méthodes
précédentes.
La méthode du tenseur
d’énergie
a été utilisée parHlavaty [1].
Le
procédé
deHlavaty
consiste à extraire deséquations
duchamp
une certaine
quantité qu’il
identifie avec le tenseurd’énergie,
etpuis
à
prendre
ladivergence
de ce tenseur. Il ne trouve pas la force coulom- bienne àpartir
de cettedivergence,
et ilrejette
donc leséquations (I).
Il essaie de modifier les
équations
duchamp
afin d’obtenir deséquations
correctes du mouvement, el il pense y avoir réussi pourune certaine
catégorie
restreinte dechamps.
Il me semble que sa théorie modifiée ne donne pas la forcecoulombienne,
même pour la classe dechamps qu il
considère.La méthode
d’Einstein,
d’lnfeld et de Honmannlr~
a étéappliquée
à l’ensemble
(I)
parCallaway [3]
avec des résultatsnégatifs. Callaway supposait
que est le tenseurmétrique,
et que g 03BD est lechamp électromagnétique,
etj’ai
fait de même. JI ressort du travail de PhamTan
Hoang FA1
que les résultatsjusqu’à l’approximation
duquatrième
ordre sont semblables si l’on
prend g -
et comme tenseurmétrique
et
champ électromagnétique respectivement.
- L’ensemble des
équations (I)
est obtenu àpartir
duprincipe
variationnel
. ô dô 0,
.
OÙ
h - h ~ ~ ~,~ ~
Si l’on
prend
~~ - ~u, ~ ,
Hu,~,
,où est le tenseur de
Ricci,
et si l’onapplique
leprincipe
varia-tionnel sous réserve de la condition subsidaire
g’v ,’1 = 0,
on obtient l’ensenlble
(I).
C’était par cette méthodequ’Einstein
obtintoriginalement
l’ensemble(I),
mais une méthodeplus élégante
pour arriver au même résultat est connue maintenantdepuis
le travail de Lichnerowicz.Einstein
croyait qu’aucune
additionà 11 laquelle
contenait les r ne détruirait la relation o. Il semblequ’il
ait eu torLici,
et despossibilités
intéressantes à cetégard
sont discutées dans le livre de Mme M.-A. Tonnelat[5]
à cesujet.
J’ai considéré[6]
l’additionâ h
d’une certaine fonction des g 03BD
qui
conduirait auxéquations
dumouvement pour des
charges électriques.
Plusieurs
possibilités
seprésentent ici,
et celle quej’ai
choisiefinalement était
h* = h + g03BD ,
où p
est une constante réelle ouimaginaire.
Le termesupplémentaire
satisfait au
principe
d’hermiticité considéré par Einstein comme étantune condition essentielle des
expressions
fondamentales de la théorie.I37 D’autres additions
simples â h
sont les suivantes :c~, ji w j; ,,>
- (’J2 h2 o~, h, /Z ~ a~ ~,
où
_____ _____
co =
~-
dét h =~/- dét g~,,,.
Toutes les additions ci-dessus conduisent à un terme
cosmologique
dans les
équations
duchamp,
et ou bien ne donnent pas la forcecoulombienne,
ou bien donnent deséquations plus compliquées
quecelles de ma théorie.
Quand
on fait lavariation
,on trouve que les
équations
et(Ib)
ne sont paschangées,
maisque (Ic)
et(1 d)
sontchangées
par l’addition d’un termesupplémen-
taire. Les
équations complètes
de ma théorie sontoù
U03BD = g03BD 2014 g03B103B2 g03B1g03B203BD + I 2 g03B203B1g03BD.
A la
première approximation (c’est-à-dire, quand
g’uv = i,,vavec les 03B3 03BD
petits)
leséquations (II)
sont les mêmes que leséqua-
tions
(I)
sauf pourl’équation
satisfaite par le courant,qui
est(1)
I 03BD03C3,03B103B1 = - 4p2I 03BD03C3
pour (II)et
’
(2) = o
pour (1),
où
I03BD03C3 = g[03BD,03C3].
Si l’on considère
l’équation ( i )
dans le cas d’uneparticule statique
à
symétrie sphérique,
on a alorsoù p est la densité de
charge
et n la coordonnée radiale. En suppusant que p estImaginaire,
on trouve une solution de la forme~’i~ >
A
’ c.-x~-~’ , l’où A est une constante
arbitraire,
et 03B12 > o. La solution correspon- dantepour (2)
est(4) - A
03C1 = r
et un avantage de ma théorie c’est que la densité de la
charge
diminueplus rapidement quand
r augmente. Enparticulier, l’Intégrale
403C0~R03C1
r2dr.
qui
donne laquantité
decharge
à l’extérieur de r == R converge pour(3)
mais pas pour(4).
Ceci est intéressant si l’on se souvient que dans les solutions exactes etstatiques
àsymétrie sphérique
de l’en-semble
(I),
une des difficultés est que lacharge
totale est infinie.Pour montrer que les
équations (II) impliquent
leséquations
dumouvement pour une
charge électrique (ou,
en tout cas, la forcecoulombienne),
nous écrivons= =
f03B103B2,
et supposons que les peuvent être
développés
sous la formesuivante :
Le
procédé
consiste àexprimer
leséquations
dechamp (II b,
c etd)
en série de
puissances
de À avec des coefficientsqui dépendent
de aap,et de leurs dérivées
partielles,
et àégaler
ces coefficients à zéro.Il faut aller
jusqu’à À 3,
etpuis
utiliser le coefficient de À’’ pour former lesintégrales
de surfacequi
donnent leséquations
du mouvement.Les calculs sont les mêmes que ceux de
Callaway
sauf pour les termesI39
supplémentaires
introduits parUu,.,.
Les termessupplémentaires
lesplus importants
sontAu troisième ordre
d’approximation
leséquations
duchamp
néces-sitent
où est le tenseur de Ricci formé avec les
symboles
de Christofl’el{03B1 03B203B3)
.Les
équations ( 8 )
sont cellesqui
seprésentent quand
leséquations
dumouvement sont déduites en Relativité
générale
sanschamp
électro-magnétique.
En déterminant les a03B103B2 etprenant
lesintégrales
desurface d’une
quantité
forméede P03B103B2,
on obtient leséquations
de mou-vement de Newton. Ainsi nous n’avons pas besoin de nous occuper de
(8).
Considérons le cas de deux
particules
demasses m
et decharges
é ( k
=== i, ,2),
et introduisons unpotentiel ~
par1 2
~~~- [)-+- f).
1 2
,
où 03A6 et 03A6 se rapportent aux
particules
1 et2,
et oùr signifie
la distance dupoint-du-champ
à laparticule
k : :k r2 = (xm - 03BEm)
(xm - 03BEm),
étant les coordonnées de
e.
La solution de
(6)
et( ~ )
estQù q
est une constante, et où=!L- n
+ et03A6n = 03A603BEn.
Ici
03BEn représente d03BEn d03C4 (03C4
=x003BB).
Les
équations
du mouvementjusqu’au quatrième
ordre résultent del’équation
(f)
où
*mn
==mn - 2
03B4mnss + I 2 03B4mn00,
et est défini
pareillement. L’intégrale
de surface estindépendante
de la forme de la surface
qui
entoure la kièmeparticule,
parcequ’on
peut vérifier que
pJ = o.
Les
parties
relatives à l’inertie et à lagravitation
deséquations
dumouvement résultent de
/
Prur nr dS = o,comme en Relativité
générale;
d’autrepart,
on saitd’après
le travail deCallaway
quel’équation
.k (*mr-*mr)
nr dS = one restreint pas le mouvement, ce
qui
n’estqu’une
autrefaçon
de direque la théorie
d.’Einstein-Schrôdinger
nedonne
pas leséquations
dumouvement pour une
particule chargée.
Dans mathéorie, donc,
leséquations
du mouvement doivent se déduire de ’(II)
k *mr
nr dS + kp2*mr nr ds = 0,et la force coulombienne doit être contenue dans la deuxième
intégrale
à
gauche.
Si l’on substitue
(9)
dansUmn,
on trouveI4I
et
l’intégrale
de surface de cetteexpression
donne la force coulom-bienne. On trouve pour les
équations
du mouvementjusqu’à l’approxi-
mation
duquatrième
ordre(I3)
md2r dt2 = -mmr r3 + R2q2 eer r3,
où r est la distance de la
première particule
à uneorigine qui
coïncideà
chaque
instant avec laposition
de la deuxièmeparticule.
Uneéquation analogue
est valable pour la deuxièmeparticule,
et la méthodepeut s’étendre au
champ
den’importe quel
nombre departicules.
Plus tard nous comparerons
l’expression ( I ~ )
avec( l4)
*mn
-*mn
- _+ 03B4pm,rn , r-
03B4mn,pr,r].pqui
ne donne pas la force coulombienne.Dans
l’équation ( I 3 ) p
est la constante introduite dans leséquations
du
champ initiales,
et q est une constante deproportionnalité
entrej~x~
et les forces du
charnp électromagnétique.
La valeur dep2 q2 dépend
des unités choisies pour la
charge électrique,
et,quand
elle estétablie,
il reste encore un
paramètre
- lerapport ~’
- indéterminé.La méthode
d’approximation
utiliséédépend
del’hypothèse
que lesparticules
se meuvent lentement. Il est donc évident que le deuxièmeterme dans la force de Lorentz
e(r x H) .
c
ne
pourrait
pas exister auquatrième
ordred’approximation.
On s’atten- drait à ce que ce terme vienne desintégrales
de surface formée descoefficients de 7~~.
J’ai
essayé
de trouver les solutions exactes etstatiques
àsymétrie sphérique
dans ma théorie. Commedéjà
vu, il reste encore un para- mètre indéterminé dans la théorie etj’ai
crupossible,
dans une solutionexacte, de relier au moyen de celui-ci la densité de masse à la densité de
charge.
Dans la théorie unitaireoriginale,
une des difficultés des solu- tions exactes est que lacharge
est distribuée alors que la masse estconcentrée en
singularités.
J’aiespéré
que dans la théorie modifiée ontrouverait des solutions non
singulières
avecpeut-être
uneproportion-
nalité entre la densité de masse et la densité de
charge.
Je n’ai pas pu trouver de solutions exactes, les
équations
sonttrop
compliquées.
J’aiattaqué
de deuxfaçons
leproblème
des solutionsapprochées
dans le casstatique
àsymétrie sphérique.
Si l’onprend
pour le cas
électrique
le tenseur fondamental sous la formeon
peut développer
la solutionapprochée
comme une série depuissances de -
en écrivant/’
Si l’on substitue ces
expressions
dans leséquations
dechamp
de lathéorie et si l’on
égale
à zéro les coefficients despuissances
deI ~
onpeut
trouver des relations entre les coefficients m, a2, C2, c;;, eo, e1, e2,....
Si l’on faitcela,
on trouve deux constantesarbitraires,
m et eo,en
plus
durapport E .
.C’est
décourageant
parce que si la théorie donnait la masse comme unphénomène électromagnétique,
on s’attendrait à ce que les deuxconstantes m et eo,
qui
serapportent respectivement
à la masse et à lacharge
de laparticule
àsymétrie sphérique,
soientreliées,
au lieu d’êtreindépendantes.
Il y a,
toutefois,
une autre méthode de calcul de la solutionapprochée.
Supposons qu’il’
y ait une solution nonsingulière
de meséquations.
Alors, près
del’origine
il devrait êtrepossible
dedévelopper
la solutionsous la forme
I43
On sait que des solutions de cette forme n’existent pas dans la théorie
originale
parce que toutes les solutions de cette théorie sontsingulières
il
l’origine.
De telles solutions n’existent pas nonplus
dans la théoried’Einstein-Maxwell.
Toutefois,
dans ma théorie, onpeut
commencer ledéveloppement (I5). N’ayant
pas la solution exacte,cependant,
on nepeut pas
savoir si cette solution serait nonsingulière pour toutes
valeurspositives
de r, et si elle satisferait les conditions limites correctespour r = oo .
4. Conclusion. - La forme modifiée de la théorie d’Einstein-
Schrodinger
quej’ai
décrite était introduite pour donner leséquations
du mouvement, ou, en tout cas, la force coulombienne entre des
charges électriques.
La forme de l’hamiltonien quej’ai adoptée
t)
+p2g 03BDg03BD ,
est semblable à celle de la théorie d’Einstein-Maxwell
’JJ
+qui
donne leséquations
du mouvement. Ce n’est donc pas très surpre-nant que la force coulombienne découle des
équations
queje dérive, quoique je
doivesignaler
que monU 03BD
diffère sous certainsrapports
dutenseur
d’énergie électromagnétique
de la théoried’Einstein-Maxwell,
et que ma théorie aboutit à des résultats
différents ;
parexemple,
la res-triction sur le courant,
laquelle
seprésente
dansl’approximation
dupremier
ordre.Pour arriver aux
équations
du mouvement,j’ai
dûcompliquer
consi-dérablement la théorie
originale. Toutefois, je
ne crois pas que le résul-tat
puisse
être obtenu avec une modification moins radicale de la théorie.Quand
on étudiel’application
de la méthoded’Einstein,
d’Infeld etde Hoffmann à mes
équations
on voitpourquoi
une addition telle queU 03BD
est nécessaire pour obtenir les
équations
du mouvement. Si l’on compare lesexpressions (12)
il n’est pas difficile de voirqu’alors
que1 z
pour
i°
etr grands,
contient des termes d’ordreee r2 r2
,l’expres-
sion
(14), qui
contient des dérivées d’un ordreplus élevé,
consiste eni ? 1~ a
termes comme 1 1 et
,,ee,.,
7 7 i. etc.Alors, quand
on calcule lesintégrales
de
surface,
les contributions de ces termes sontnulles,
et le mouvementn’est pas
restreint;
mais mêmequand
ils ne s’annulent pas, les termesne sont pas de
degré
tel enr
etr qu’ils puissent
conduire parintégra-
tion à la force coulombienne. ’
Pour obtenir la force
coulombienne,
des termesquadratiques
dansles
f03B103B2
semblent êtreessentiels,
et ne peuvent pasprovenir
de la théorieoriginale.
Pour cette raisonaussi, je
croisqu’aucune
modification de la théoriequi
contient seulement la connexionr~,~
nepeut
donner la force coulombienne. Une telle modification nepourrait qu’introduire
dansl’approximation
duquatrième
ordre encore des termesn’ayant
pas l’ordre voulu. Pour cette raison il me semble que des modifications dans l’hamiltonien de la théorie sont inutiles à moinsqu’elles
nedonnent,
defaçon
oud’autre,
un termequadratique
dans les g 03BD.Il reste la
possibilité
que nous avons tort d’identifier les forces duchamp électromagnétique
avec g 03BD oug 03BD.
Les autres identifications ne vsont pas
attrayantes,
et l’idéed’utiliser,
pourreprésenter
lechamp
élec-tromagnétique,
lapartie antisymétrique
du tenseur fondamental g 03BD, était unaspect
de lasimplicité mathématique
de la théorieoriginale.
Mais,
aupoint
de vuephysique, l’interprétation
usuelle du tenseur fon-damental est bizarre pour la raison suivante. La
partie symétrique
dece tenseur
représente
lespotentiels gravitationnels,
alors que lapartie antisymétrique représente
non pas despotentiels
mais desfbrces
duchamp électromagnétique.
Ceci est la raisonprofonde
pourlaquelle
lathéorie
d’Einstein-Schrôdinger
ne donne pas la force coulombienne.Dans les
équations
.R 03BD
= oles termes
qui conduisent, dans
la méthoded’Einstein,
d’Infeld et deHoffmann,
à la forcegravitationnelle,
sont certains de ceuxqui
sontquadratiques
parrapport
aux dérivéespremières
despotentiels gravi-
tationnels g 03BD, et de ceux
qui
contiennent cespotentiels multipliés
par leurs dérivées secondes. Les termescorrespondants
dans lesg~v
se rap-portent
non pas auxpotentiels
mais aux forces duchamp
électroma-gnétique.
On nepeut guère espérer
que ces termesengendrent
une loide force de l’inverse carré.
I45 Einstein était d’avis que ces difficultés seraient surmontées si des solu- tions exactes et non
singulières
deséquations
duchamp représentant
des
particules
mobiles étaient connues.Quant
àmoi, je
ne vois paspourquoi
les lois du mouvement de cesparticules
nonsingulières
doiventêtre fondamentalement différentes de celles obtenues par la méthode
d’approximation.
De tellesparticules engendreraient probablement
lespotentiels
usuels àgrande distance,
et donc leprocédé approché
doits’appliquer.
Eneffet,
si de telles solutionsexistent,
et si lesparticules
sont
matérielles,
alors leur mouvementgravitationnel
est donné pro- bablement correctementpar le procédé d’approximation, qui opère
pour lechamp gravitationnel
comme en Relativitégénérale.
Je necomprends
pas
pourquoi
la méthoded’approximation
donne le résultat correct dans le casgravitationnel
mais non pas dans le casélectrique,
etje
serais trèssurpris
si la découverte des solutions nonsingulières
donnait la solulion duproblème.
BIBLIOGRAPHIE.
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