如何理解平行移动(Parallel Transport)?

        在微分几何中,当我们说一个向量沿着曲线进行平行移动时,我们指的是在曲线的每一点,这个向量都保持与曲线的切空间相切,并且在传输过程中保持其长度和方向不变。这种移动方式确保了向量在曲线的不同点之间的内在几何属性(如长度和角度)被保持。

        我们给平行移动一个物理上操作的定义:在曲面\mathit{\Gamma }上曲线 s的起点A做一个切平面\mathit{\Pi},在切点A处将要平行移动的向量 \boldsymbol{\mathbf{}a}放置于\mathit{\Pi}上,然后将 \mathit{\Pi} 沿着 \mathit{\Gamma }上的s 做纯滚动(没有一点点绕曲面法向量的转动)直到终点 B,得到\mathit{\Gamma } 在 B 的切平面\mathit{\Pi}{}'。此时\mathit{\Pi}{}'上有滚动后得到的以A{}'为起点,B 为终点的滚动轨迹{s}'以及A{}'处的向量\boldsymbol{\mathbf{}a}{}'。最后将\boldsymbol{\mathbf{}a}{}'在 \mathit{\Pi}{}'内平移到B,得到 \boldsymbol{\mathbf{}a} 沿着曲线s平行移动到 B 的向量 \boldsymbol{\mathbf{}a}{}'

        一般来讲,平面\mathit{\Pi}{}'上的滚动轨迹 {s}'是一条曲线。但是在某些情况下,{s}'可以是一条直线。此时,\mathit{\Gamma }上的曲线s我们就称为\mathit{\Gamma }的测地线。另外我们注意到此时{s}'是一条直线,每一点的切线都是平行于{s}'的。这意味着s的切向量经过平行移动后仍然是 s的切向量,所以测地线又可以定义为:

        若曲面\mathit{\Gamma }上曲线s的切向量沿着s\mathit{\Gamma }上平行移动后仍然是s的切向量,则s即为测地线。

谈谈向量在曲面上的平行移动 (1) —— 平行移动与测地线

        

        无论你选择哪个向量进行平行移动,只要你沿着同一条曲线移动,那么这些向量与曲线切向量形成的有向角的变化率将是相同的。这是黎曼流形上平行移动的一个性质,它反映了流形的内在几何特性,特别是与曲线的曲率有关。在物理学中,特别是在广义相对论中,这个概念用来描述在引力场中沿着时空路径移动的矢量如何变化。

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