Meetkunde en Fysica. Henk Broer. Instituut voor Wiskunde en Informatica Rijksuniversiteit Groningen. Meetkunde en Fysica p.1/22

Transcriptie

1 Meetkunde en Fysica Henk Broer Instituut voor Wiskunde en Informatica Rijksuniversiteit Groningen Meetkunde en Fysica p.1/22

2 Overzicht Meetkundige aspecten van natuurkunde: - Newton en schalingswetten van de ruimte - Kromming in dimensie twee en drie - IDEE: lichtstralen zijn geodeten - Beltrami-Klein meetkunde van het HEDEN in Minkowski-ruimte broer@math.rug.nl URL: broer Meetkunde en Fysica p.2/22

3 Kepler & Newton Iohannes Kepler Isaac Newton ( ) ( ) Meetkunde en Fysica p.3/22

4 Cirkel & bol (1) Uitgangspunt: NATUURKUNDE is gebonden aan de MEETKUNDE van vlak en ruimte SCHALINGSWETTEN cirkel en bol: - OMTREK vlakke cirkel straal 2πr Hoek (in radialen) = lengte langs eenheidscirkel - OPPERVLAKTE bol 4πr 2 Ruimtehoek = oppervlakte op eenheidsbol Meetkunde en Fysica p.4/22

5 Hoek & ruimtehoek 1 r r Hoek = lengte boog Lengte r 1 Ruimtehoek Meetkunde en Fysica p.5/22

6 Flux krachtveld: plat en ruimtelijk VLAK zwaartekrachtsveld: F = 1 r e r FLUX door cirkelboog met straal r : HOEK boog, onafhankelijk van r Michael Faraday, James Clerk Maxwell RUIMTELIJK zwaartekrachtsveld: F = 1 r 2 e r FLUX door oppervlakje op bol met straal r : RUIMTEHOEK oppervlakje, onafhankelijk van r Isaac Newton MAN VAN HET MILLENIUM Meetkunde en Fysica p.6/22

7 Faraday & Maxwell Michael Faraday James Clerk Maxwell ( ) ( ) Meetkunde en Fysica p.7/22

8 Scholium I Krachtvelden met alle oplossingen periodiek planeetbeweging periodiek (ellips: Kepler I) Perihelium-draaiïng Mercurius Newton ontdekt in 19e eeuw Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica 1687 (Newton I schaling boloppervlak) Kepler I, II, III & observaties Flamsteed: Jupiter + satellieten minizonnestelsel hypothese UNIVERSELE zwaartekracht planeetbewegingen chaotisch? Meetkunde en Fysica p.8/22

9 Kromming (1): Bol versus vlak Locaal ziet bol er uit als vlak Ooit dacht men de Aarde is plat (denk ook aan atlas) Hoe zit dat? - Bol zonder punt = vlak: topologie = rubbermeetkunde Filosofie: is far away - Stereografische projectie hoektrouw voert cirkels in cirkels over bewaart geen afstanden... Noordpool - Vergelijk Mercator kaart-projectie (veelgebruikt in atlassen) Meetkunde en Fysica p.9/22

10 Stereografische projectie Cirkel zonder Noordpool = lijn Bol zonder Noordpool = vlak Meetkunde en Fysica p.10/22

11 Kromming (2): Platlanders Beschouw VLAKKE cirkel met straal r Omtrek: O(r) = 2πr, dus O(r) = 2π, (1) r onafhankelijk van de straal r Hoe zit dat op de BOL? Afstand = booglengte langs grote cirkels (= geodeten) Beschouw cirkel op eenheidsbol met als straal hoek α. Omtrek: O(α) = 2π sin α, m.a.w. O(α) = 2π sinα (1 α α = 2π 16 ) α2 + O(α 4 ) (2) Meetkunde en Fysica p.11/22

12 Cirkel op bol sin Cirkel met straal α... doorsneden met meridiaanvlak Meetkunde en Fysica p.12/22

13 Scholium II Vergelijk (1) en (2): Merk op dat (1) constant is (d.w.z., niet van r afhangt) Echter, zelfs voor kleine α is (2) niet constant: dit heet KROMMING bol niet-euclidisch (elliptisch) - Kromming locale eigenschap - Meetbaar voor PLATLANDER Meetkunde en Fysica p.13/22

14 Elliptische meetkunde & Riemann Alle geodeten hebben twee snijpunten Georg Friedrich Bernhard Riemann ( ) Meetkunde en Fysica p.14/22

15 Eigentijd IDEE: AFSTAND = REISTIJD LICHT (EIGENTIJD) Lorentz - Minkowski - Einstein Lichtstralen zijn geodeten Afbuigen fotonen door massa gekromde ruimte Waarnemingen bij totale Zonsverduistering: sterrenlicht dat vlak langs Zon gaat wordt afgebogen Meetkunde en Fysica p.15/22

16 Lorentz & Minskowski Hendrik Antoon Lorentz Hermann Minkowski ( ) ( ) Meetkunde en Fysica p.16/22

17 Scholium III RUIMTE-TIJD - Minkowski-ruimte voor PLATLANDERS R 2 R = {(x,y),t}; met krom ruimteachtig deel, b.v.: S 2 = {(u,v,w) R 3 u 2 + v 2 + w 2 = 1} - Uitdijend heelal: opgeblazen ballon alle onderlinge afstanden vergroten - 3D Minkowski-ruimte R 3 R = {(x,y,z),t} met krom ruimte-achtig deel, b.v.: S 3 = {(u,v,w,z) R 4 u 2 + v 2 + w 2 + z 2 = 1} DE SITTER HEELAL (Sneek Leiden 1934) Wat is waarheid? Meetkunde en Fysica p.17/22

18 Einstein & de Sitter Albert Einstein Willem de Sitter ( ) ( ) Meetkunde en Fysica p.18/22

19 Minkowski-ruimte en lichtkegel Terug naar Minkowski-ruimte voor PLATLANDERS: R 2 R = {(x,y),t)} Lichtkegel = {((x,y),t) x 2 + y 2 = c 2 t 2 } Ruimte-achtige schijf, het HEDEN D T = {(x,y,t) R 3 x 2 + y 2 c 2 T 2 } heeft Beltrami-Klein meetkunde meetkunde van Poincaré-model (hyperbolisch) Meetkunde en Fysica p.19/22

20 Lichtkegel en Beltrami-Klein t T D T D T x y Het HEDEN D T in de lichtkegel heeft Beltrami-Klein meetkunde Meetkunde en Fysica p.20/22

21 Beltrami-Klein en Poincaré model Beltrami-Klein en Poincaré modellen hyperbolische meetkunde equivalent: D T D T Van B-K naar halve bol... en stereografische projectie Meetkunde en Fysica p.21/22

22 Volgens M.C. Escher ( ) Circle Limit III Meetkunde en Fysica p.22/22