Le relazioni (1.1) e (1.2) ci dicono che in relatività ristretta il tempo e la distanza fra due punti non sono più invarianti, ma dipendono dal sistema di riferimento. Questo comporta che non è più possibile utilizzare l'ordinario spazio euclideo a tre dimensioni per esprimere le leggi fisiche, e che si deve rinunciare a trattare separatamente coordinate spaziali e temporali; occorre cioè utilizzare lo spazio di Minkowsky introdotto sommariamente al paragrafo precedente.
Per esprimere le leggi fisiche in maniera indipendente dal sistema di riferimento dovremo eguagliare grandezze dello stesso tipo (scalari, vettori, tensori, ecc.) che trasformano nello stesso modo in un cambiamento di coordinate, così che le relazioni ottenute in un qualunque sistema inerziale resteranno valide in tutti gli altri; per questo ci occorre l'armamentario matematico dell'analisi tensoriale.
Esprimeremo le componenti di un generico vettore dello spazio di Minkowsky con
la notazione
, usando indici greci per le
componenti in 4 dimensioni e indici romani per le componenti tridimensionali
relative alla parte nello spazio ordinario; così il vettore delle coordinate
si potrà scrivere come
. Useremo anche la
notazione matriciale indicando
col vettore colonna delle 4 componenti
,
,
,
. Infine, seguendo la consuetudine dell'analisi
tensoriale, adotteremo la notazione di sommatoria, per la quale si
sottintende una sommatoria su tutti gli indici ripetuti.
Lo spazio di Minkowsky, a differenza dello spazio tridimensionale ordinario,
non è euclideo, infatti in esso non è invariante la usuale norma di un
vettore, definita come la radice di
, ma la forma
(1.1) che viene così a definire la distanza fra
due vettori. Siccome la differenza è solo per il segno meno nella prima
componente lo spazio viene detto pseudoeuclideo.
La (1.1) si può riscrivere in forma infinitesimale come:
La (1.10) è una relazione che si può scrivere anche per spazi curvi
più generali di quello di Minkowsky; essa ci dice che
è sempre un
tensore simmetrico, infatti essendo comunque
,
ed e potendo chiamare gli indici come si vuole, si ha che:
Il tensore metrico è quello che permette di definire in maniera generale il prodotto scalare di due vettori dello spazio di Minkowsky; dato che si è usato il tensore metrico esso ovviamente è invariante, e lo si può esprimere con la relazione matriciale come:
Come si può notare abbiamo usato per
gli indici in basso al
contrario di quanto fatto con
e
; questo perché in generale,
quando si ha a che fare con spazi non euclidei, si hanno due tipi di vettori.
La distinzione introdotta fra questi due tipi di vettori è dovuta al fatto che, in generale, data una qualunque legge di trasformazione delle coordinate del tipo:
L'estensione a tensori (covarianti, controvarianti e misti) di qualunque rango è immediata introducendo altrettante matrici di trasformazione per ciascuno degli indici in gioco; ad esempio per un tensore misto di rango tre, avremo qualcosa del tipo:
Da queste definizioni e dalle proprietà di trasformazione dei differenziali delle coordinate, che l'analisi matematica ci dice essere nella forma:
La (1.10) ci dice anche che
è effettivamente un
tensore covariante di rango due, come si può verificare facilmente con un po'
di conti a partire dalla (1.17) tenendo conto che
è
invariante.
Col tensore metrico si può poi passare da vettori controvarianti a covarianti e viceversa, secondo le relazioni:
Nel nostro caso poi abbiamo visto che
e
per cui si ha
anche che
e come regola generale si avrà che da
si ottiene un
.
Possiamo ora vedere cosa significa tutto questo avendo a che fare con lo
spazio di Minkowsky e con le trasformazioni di Lorentz generiche, di cui la
vista in (1.6) è un caso particolare. Scriveremo le leggi
di trasformazione come:
La (1.19) ci dice immediatamente che il vettore
delle coordinate, che è controvariante, trasforma con
;2.1 dalla
(1.20) otteniamo esplicitamente anche le proprietà
di trasformazione dei vettori covarianti, infatti se prendiamo
otteniamo
che
, quindi un vettore
controvariante trasforma secondo
; dobbiamo verificare che
questa corrisponde alla espressione generale vista prima, calcoliamo:
La precedente definizione generale dei vettori covarianti e controvarianti ci mostra poi una proprietà generale delle derivate delle coordinate; infatti dall'analisi si sa che le derivate delle coordinate in un cambiamento di variabili trasformano secondo la legge:
Adesso possiamo scrivere esplicitamente l'operatore gradiente nello spazio di
Minkowsky; ricordando che
si ottiene:
La (1.20) ci dice anche che
da cui segue, poiché
,
che:
Un'altra proprietà generale delle trasformazioni
è il numero di
parametri necessari per specificare completamente una matrice del gruppo. In
generale le matrici
hanno 16 componenti, ma noi abbiamo la
relazione (1.20), che rappresenta 16 equazioni per
gli elementi di
. Però, dato che l'equazione è simmetrica per
trasposizione, le componenti indipendenti sono solo 10, restano quindi alla
fine sei parametri liberi, tre di questi possono essere identificati con i tre
angoli di Eulero delle rotazioni spaziali, e gli altri con i parametri (ad
esempio le componenti della velocità relativa) associati ai boost di
Lorentz.
Se usiamo le espressioni viste in §1.1 per le
trasformazioni di Lorentz possiamo vedere come trasformano le componenti di un
vettore nello spazio di Minkowsky passando da un riferimento inerziale ad un
altro; una formula molto utile che da la trasformazione di un qualunque
quadrivettore per un boost di Lorentz di velocità
è:
L'analisi tensoriale ci dice che il prodotto scalare di due quadrivettori è invariante, così come la norma di un vettore, ma dato che lo spazio di Minkowsky non è euclideo, essa non è definita positiva. Si introduce allora una distinzione a seconda che sia positiva, negativa o nulla chiamando rispettivamente il vettore di tipo spazio (space-like), tempo (time-like) o luce (light-like). La distinzione si introduce rifacendosi alla distanza quadridimensionale fra due eventi:
Nonostante le loro semplici proprietà di trasformazione, i tensori non sono le sole quantità interessanti; ad esempio una quantità che non è un tensore ma che è molto importante è l'elemento di volume (quadridimensionale). Un teorema fondamentale del calcolo integrale ci dice infatti che esso si trasforma secondo la legge:
Un'altra quantità che ha un comportamento simile è il determinante della metrica:
Quantità come l'elemento di volume o
, che trasformano acquisendo fattori
del determinante jacobiano, sono dette densità scalari. Allo stesso
modo quantità che trasformano come tensori con l'aggiunta di fattori del
determinante jacobiano sono dette densità tensoriali; il numero di
fattori di
è chiamato peso della
densità; nel nostro caso
è una densità scalare di peso
.
In generale una densità tensoriale di peso
trasformerà con la legge:
Infine si può notare che moltiplicando due densità di peso opposto si ottiene
una quantità scalare; ad esempio se prendiamo
abbiamo uno
scalare invariante.
Una quantità di fondamentale importanza è il tensore di Ricci (chiamato anche tensore di Levi-Civita), definito come:
Il tensore di Ricci è un tensore molto particolare, infatti in uno spazio di
dimensione quattro le matrici di rango 4 completamente antisimmetriche hanno
una sola componente indipendente (costituiscono cioè uno spazio
monodimensionale), quindi
è una base per
tale spazio.
Per capire bene con cosa si ha a che fare però dobbiamo studiarne le proprietà di trasformazione; allora consideriamo l'espressione:
Da
si può ricavare subito anche
essendo:
Queste relazioni si semplificano immediatamente nel caso della relatività
ristretta; in tal caso infatti le trasformazioni sono lineari e
per cui
la (1.26) diventa:
Il tensore di Ricci è importante perché come l'equivalente tridimensionale
è quello che permette di definire gli analoghi del prodotto
vettoriale e del rotore anche in uno spazio a quattro dimensioni, dove le cose
sono ovviamente diverse, dato che in questo caso le matrici antisimmetriche
non hanno, come nello spazio tridimensionale, tre componenti indipendenti
assimilabili a quelle di un vettore, ma sei.
L'analogo del prodotto vettoriale di due quadrivettori allora non è più un quadrivettore ma il tensore antisimmetrico di rango due definito dalla relazione:
Facendo i conti si può poi facilmente verificare che la (1.30) può essere riscritta anche come: