在广义相对论中,调和规范是一种特殊的规范选择,可以简化爱因斯坦场方程的形式。在调和规范下,度规的协变导数为零,即\nabla_\mu g^{\mu\nu}=0。而在此规范下,爱因斯坦张量的迹为零,即g^{\mu\nu}G_{\mu\nu}=0。
要证明这两个式子是等价的,可以通过以下步骤进行推导:
首先,我们知道爱因斯坦张量G_{\mu\nu}定义为G_{\mu\nu}=R_{\mu\nu}-\frac{1}{2}g_{\mu\nu}R,其中R_{\mu\nu}是里奇张量,R是标量曲率。将爱因斯坦张量的定义代入g^{\mu\nu}G_{\mu\nu}=0中得到:
g^{\mu\nu}G_{\mu\nu}=g^{\mu\nu}(R_{\mu\nu}-\frac{1}{2}g_{\mu\nu}R)=R-\frac{1}{2}g^{\mu\nu}g_{\mu\nu}R=R-2R=0
因此,g^{\mu\nu}G_{\mu\nu}=0等价于R=0。
接下来,我们来证明\nabla_\mu g^{\mu\nu}=0等价于R=0:
根据调和规范的定义\nabla_\mu g^{\mu\nu}=0,我们有\nabla_\mu g^{\mu\nu}=\partial_\mu g^{\mu\nu}+\Gamma^\mu_{\mu\lambda}g^{\lambda\nu}+\Gamma^\nu_{\mu\lambda}g^{\mu\lambda}=0,其中\Gamma^\mu_{\nu\lambda}是联络系数。
由度规的定义g^{\mu\nu}g_{\nu\lambda}=\delta^\mu_\lambda,我们可以得到g^{\mu\nu}\partial_\mu g_{\nu\lambda}=0。进一步,我们可以证明\partial_\mu g_{\nu\lambda}=0,即度规g_{\mu\nu}是常数度规。而在常数度规下,标量曲率R=0。
综上所述,\nabla_\mu g^{\mu\nu}=0等价于R=0。因此,可以证明在调和规范下,g^{\mu\nu}G_{\mu\nu}=0与\nabla_\mu g^{\mu\nu}=0是等价的。