Séminaire Janet. Mécanique analytique et mécanique céleste A NDRÉ L ICHNEROWICZ Propagateurs. Quantification du champ Séminaire Janet. Mécanique analytique et mécanique céleste, tome exp. no 4, p. 1-17 3 (1959-1960), <http://www.numdam.org/item?id=SJ_1959-1960__3__A4_0> © Séminaire Janet. Mécanique analytique et mécanique céleste (Secrétariat mathématique, Paris), 1959-1960, tous droits réservés. L’accès aux archives de la collection « Séminaire Janet. Mécanique analytique et mécanique céleste » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/legal.php). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright. Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques http://www.numdam.org/ Séminaire JÀNET 4-01 (Mécanique analytique 3e année, 1959/60, n° Mécanique céleste) et 4 27 février 1960 PROPAGATEURS. QUANTIFICATION DU CHAMP André LICHNEROWICZ Le problème de la champ électromagnétique et du champ gravitationnel en relativité générale se trouve étroitement lié, dans ma conception~ ~ la notion de radiation L’étude de cette notion a conduit et moi-même 8 considérer qu’en relativité générale, le iivrai champ gravitationnel est décrit quantification du o par le tenseur de courbure. Dans 0 une première partie9 tions da champ correspondantes. Une seconde partie o étudierons les équaconsacrée à la quantifi- nous sera champs électromagnétique et gravitationnel libres à l’approximation linéaire La quantification rigoureuse en relativité générale du champ électromagnétique libre, celle du champ gravitationnel tout au moins dans un espace à courbure constante repose sur la théorie des propagateurs tensoriels que j’analyserai dans la dernière partie. Il semble que ces propagateurs doivent joue~ dans beaucoup de problèmes Dhvsiques de la relativité générale; un rôle essentiels cation des o o I. Le s d équations 1 Les o Sur ao l’espace-temps métrique de la de Maxwell et les V4 riemannienne de type . U d’ordre Si U où d~ est à équations de la relativité appelons produit scalaire nous é quations de ~ générale~ supposé orienté en pt support compact, désigne l’élément nous o d’Einsteino hyperbolique (T , u) x champ posons1 de volume riemannien. et muni normal x E 4 de deux tenseurs T et 4-02 Nous appelons continue à valeurs scalaires sur compact (U ~ U ; (1.3) définit ° une p fonctionnelle linéaire d’ordre p suffisamment diffé- T , U &#x3E; la valeur de le’tenseur-distribution défini par le tenseur Nous notons 0 T On obtient les courants ordinaire U les tenseurs rentiables è support T pour le tenseur d’ordre T tenseur-distribution de Go DE RHAM au sens 0 en limitant se aux antisymétriques ou p-formeso Pour éviter toute confusion avec le courant électrique9 nous emploierons l’expression de p-forme-distribution au lieu de celle de courant de Gc DE RHAM. Nous désignons par * l’opérateur adjoint sur tenseurs o o ° les formes défini par la respondre une p-forme distribution9 il fait métrique° à toute (4 - p)-forme distribution. cor- une l’opérateur de différentiation extérieure (d2 = 0) y (- l)P ;1 d* l’opérateur de codifférentiation extérieure sur les p-formes p-formes distributions Un champ électromagnétique est défini dans V, par 2-forme distribution F satisfaisant les équations de Maxwell où J b. Soit S= ou d o est la 1-forme distribution définie tions (1.4) peuvent où désigne culaire sur les du vide (ou du co s’écrire explicitement la dérivation covariante~ en repères S la sommation Pour o J électrique. le courant nar = 0 , Les équa- locaux on a après permutation cirles équations de Maxwell champ libre)o 0 symétriques d’ordre 2 , considérons l’application rA.,. qui 9 t~-(P) défini parô P 9 fait correspondre le tenseur Q Sur les tenseurs à tout tenseur = On vérifie aisément que cette application sont dits associés l’un à l’autre est involutive et F = P et o Si La R est le tenseur de Ricci de métrique de suivantes : si tiques, , ces son tenseur d’Einstein astreinte à satisfaire V4 est T est le tenseur en v4 9 équations s’écrivent d’impulsion, énergie usuellement aux S équations est1 dEinstein des distributions énergé- Q 4-03 Si nous posonsr il résulte du caractère involutif Sous ces formes9 les équations équations rentes des Soit a. R,r,r~ 9 ~,P~ équations peuvent aussi s’écrire : champ gravitati onnel semblent profondément diffé- du de Maxwell. équations 20 Les vraies que ces de du champ gravitationnel 0 le tenseur de courbure de l’ espace-temps. Ce tenseur satisfait identités de Bianchi, aux qui entraînent comme conséquence1 D’autre part, il satisfait aux équations d’Einstein qui peuvent aussi s’écrireô (202) De qu’il en déduit par contraction que est conservatif y il résulte de (20 est de même pour T..~ -~. 3 est donc le tenseur associé d’un tenseur on conservatif D’autre o bure vérifie les bo Nous 4 ~ en à R ~ B ~~c.~.~ ~ ~ sommes p de (2.2) et (2.4)9 il résulte que le tenseur de cour- équations1 ainsi conduits à considérer satisfaisant vérifiant les un part , 3) équations tenseur conservatif par soustraction ~ aux de champ décrit pa r un tenseur d’ordre identités algébriques :n champ (201) T . De o un (205) (202) conséquence et où de U est le tenseur (201) et (~Q~)s on associé déduit 4-04 (2.2), D’autre part, par contraction de thèse. Tl (2.7) De Q Précise, le Q (2.7) 0 en s’écrit a vertu do l’est par hypo- T (207), de simples conditions initiales comme o de orientée dans l’espace V4 hypothèses faites; est aussi Q Q1 pour champ envisagé 9 les équations d’Einstein il suffit pour l’établir d’observer que ~ 03A3 P = S - hypersurface Îl’ conservatif ; est il ré sulte que)pour le Sous les D’une pour ~ = 0 9 ’ laquel- sur nécessairement nul = u façon en (u = dehors 1 ) 2 , 3) u /~== 0 ~ (2.8) s’ écrit ~1 et que s pour Si ( 2 o R ) j; soit 0 = ~,...~ de et même pour peuvent être considérées 0 = est donc de en S pour équation donnée initiale nulle x" locale sur ~-~ le est 0 sur 1 et pour une système (2aS) (2010) n’admet d’autre solution g 0 , = que la solution nulleo 0 résultat précédent est Le équations (2.5) Les sur ~ Si c.o dre R~= ~ë~’B ? champ gravitationnel 4 y H , jouissant X03B4, "vraies U un particulier applicable il de est le tenseur où ~ encore de en dehors donc décrit dans la suite par sera des e st en propriétés tenseur conservatif équations au cas réduisent alors à ~1 Un Etant donné où on a se en de un o tenseur d’or- symétrie T ~ le champ H est astreint a satisfaire les champu associé de T On pourra o ajouter la condition supplémentaireô 4-05 condition De qu’il suffit de vérifier plus , la variété étant de dimension 4 orientée dans l’espace. a antisymétrique SH’, . o est le tenseur élément de volume. Si ~9 A~ le à le tenseur &#x3E; est 2 dérivée covariante nulle où 1- hypersurface sur une H est nul. en un point, ou s’annu- il vérifie nécessairement l’identité :â l’ infini, II . Quantification è 3. Quantification du champ l’approximation électromagnétique libre en linéaire. relativité restreinte. 0 indiquer un processus de quantification directe du champ électromagnétique libre en relativité restreinte9 sans recours au potentiel-vecteuro Ce Nous allons processus qui être adapté ao à est étroitement lié 2 la notion de radiation une Prenons pour rapporté à repère sera Considérons un du quantification espace-temps repère orthonormé électromagnétique champ gravitationnel à l’approximation linéaire. V 4 l’espace-temps de Minkowski que nous (s.) .o La métrique de V. rapportée à supposons tel un désignée un peut , champ électromagnétique libre, c’est-à-dire satisfaisant équa- aux tions de Maxwell oti 03B4 désigne ici butions tempérées), la dérivation ordinaireo Sous des F est une hypothèses simples (distri- transformée de Fourier d’une distribution N et (301) s’écrita De l’étude de la radiation une 2-forme distribution A la électromagnétique portée 2-forme distribution notation, satisfaisant au même par le et de (302)s il résulte que N est cône isotrope dans lespace des momentso F 9 substituons une et 2-forme désignée correspondant à une par la même fonctionnelle 4-06 à valeurs dans espace vectoriel un plexeo Par abus de langages nous o valeurs dans l’opérateur adjoint 1 et nous d’opérateurs dirons que F au de l’espace lieu de nilbert com- d’être à valeurs scalaires par le passage d’ un de ces opérateurs supposons que les valeurs de F sont des désignons Nous o M opérateurs hermitienso o A caractère hermitien, du partir C~ usuel Le peut établir cône ~ ce système (30 1) Supposons l’abus de notation l’élément d’aire invariant est le demi-cône isotrope rositif et sur (avec que physiciens) usuel chez les où on que se traduit par1 G soit 2-forme è valeurs scalaires satisfaisant une (3"4). Ces o expriment que la 2-forme G est singulière A chaque l ~ C associons et deux vecteurs orthogonaux de carré s - 1 , tangents au cône isotrope le long de ~ . On sait que, dans ces conditions s il existe deux scalaires a(i $ ,Ù) (i = 1 ~ 2) tels que1 relations o n (1) (~’ ) n(2)(~) , o (305) traduit champ. La physiciens appellent le double état de Par l’introduction d’une forme linéaire sur l1 voit que si encore que les ce G est 2 valeurs dans M (304) a(i, .f) et satisfait valable à condition de prendre pour les quantification du champ F s"effectuera 2. en polarisation du valeurs scalaires, on la formule (305) des éléments de est M postulant les conditions de 0 cro- chet° E re C+ , ou de Dirac relatif S .. au est le symbole cône isotrope muni ’-’J de Kronecker et où S est le biscalai- -- de 1~ élément de volume dÇl,. On peut 4-07 obtenir formalisme ~lus condensé un les valeurs avec + notations&#x3E; les conditions ces introduisant des indices (306) (3.7)~ le s champ F ~9 B prenant s’écrivent : auxquelles satisfaite b. Dans le calcul des relations de commutation de A ~ et en nosant1 et - 1 1 en nous utilisons la formule suivante géométrique en vertu qu’il est aisé d.’ établir* Etant données des quantités à 4 indices nous poserons L03B103BB, 03B203B1 dans la suite : de telle sorte que&#x3E; Cela posé, on a~ d’après (303) (307) on déduit, avec [F(x) , F(x’)] rapporté De et (3.5) ~ l’ aide de au repère unique une expression du (e~) . J Dans cette bi-2-tenseur expression apparaît la distribution scalairet ou plutôt D(x , x’) chaque tion x’ le biscalaire .distribution ~ ou propagateur son support de Jordan-Pauli est sur le antisymétrique cône isotrope issu de ce point en x ~ x’ , et satisfait a pour l’équa- 4-08 Ô. où est partir de A ou les l’opérateur défini en repères D(x ~ x’ ) ~ on obtient : dérivations ont lieu par rapport la relation de commutation classique 6t. mobiles arbitraires par = - V ~ . au point de la théorie x o Dans retrouvons nous quantique du champ électroma- gnétiqueo voisinage U de V4 nous associons un repère arbitraire e~(x) Procédons de même pour un second voisinage U’ ; nous obtenons les repères Si le champ est rapporté en x a (e~) et en à (e ,) 9 on obtient par changement de repères et en introduisant les dérivées x’ par rapport à x’1 Supposons qu’à chaque point co d’un x o e«,(x’) . w Considérons le bi-1-tenseur dérivée covariante nulle trique. (3011) ou Si nous en et x introduisons le peut s’écrire en t x’ défini par et pour Supposons a. V4 orthonormé pour la le tenseur ~ gravitationnel de est l’infiniment petit principale équations H03B103B203B de champ1 V 44 équations libre à porté par un espace-temps métrique minkowskienne. Si métrique g03B103B2 x’ = x Il est à = se réduit tenseur mé- au bi-1-tenseur distribution le second membre vérifie manifestement les 0 t~~1 la forme simple et invariante : sous 40 Quantification du champ où symétrique de Maxwell. l’approximation linéaire. 0 minkowskien rapporté le champ de gravitation à un repère est faible, peut s’écrire :&#x26; principal. région sans sources, la partie vérifie (2.12), (2.16) et satisfait les Dans du tenseur de courbure une 4-09 Pour les La équations quantification employé d’Einstein du pour le champ champ R~= 0 , on a la condition peut s’effectuer H électromagnétique. par un Sous les supplémentaire:1 procédé identique mêms hypothèses et 2 celui des avec no tations évidentes avec Il en résulte ~ Sur la forme quadratique de polarisation 3 .~) 9 (4.3) se traduit par la condition de trace1 Au ra moTren du formalisam condensé introduit dans le les conditions de crochet De cette relation et de compatibles (4.4)~ avec (407) cas sous électromagnétique, on écri- la forme ~ il résultes où les dérivations sont faites par rapport à xo Introduisons des repères mobiles arbitraires ; le prmier terme du second membre donne1 Nous sommes ainsi conduits F introduire l’opérateur Q défini park sur les tenseurs symétriques L d’ordre 2 4-10 et le bi-2-tenscur symétrique (4.9);, Pour exprimer le second terme de rateur où défini part P est le tenseur g défini par1 F y introduisons ces notations, sur les scalaires 03C6 l’ oDé . métrique, Avec o (4.9) sécrit sous la forme invariante : (407), tenu de Compte la quantification précédente conduit irréductible caractérisée par la 0 masse et le spin 8 une 2 . Le e représentation procédé beaucoup peut être justifié a posteriori par la comparaison des deux méthodes. DROZ-VINCENT et CAPPELLA ont adapté la méthode précédente à la quantification en première approximation de la théorie de Jordan- plus arbitraire employé par PAULI et FIER2 Thiry o ’ III. Propagateurs tensoriels et applications. 5. Le bitenseur de transport 0 a. un Sur une voisinage variété différentiable de munie d’une connexion homéomorphe à. une boule ouverte tel par un arc géodésique et un seul dans x être joint à de cet définit x Vn linéaire, :~’ ~ U que tout U 0 Le soit U puisse transport le long isomorphisme canonique de l’esDace vectoriel Tx , tangent en x sur l’espace vectoriel Tx, tangent en x’ . Cet isomorphisme définit un 0 de composantes bi-1-tenseur x’) élément (x , x’) , pour chaque x , t(x y x’) est transporté relativement à x’ le long de l’arc et s arc un J de. T *X t, B ’ . bo Si t03B103BB, nous avons Si T J(p)(x , variété riemannienne, une symétrique euclidien par est Vn o Ce désigné est xl) un en x dont et nous nous définisson ainsi désignerons les bi-1-tenseur composantes covarian bi-1-tenseur coïncide en relativité restreinte avec celui que la même notationo par tenseur d’ordre p à tel que un oo - support compact, le bitenseur-distribution _ 4-11 peut être représente par la formleâ où S est le biscalaire de Dirac relatif l’élément de volume riemannien. U En munissant des différents de arcs repères déduits géodésiques repère d’ un issus de x on s le long peut établir la formule imporen x par transport tante : 60 Opérateurs différentiels linéaires o Sur la variété riemannienne ao néaire sur les tenseurs d’ordre Donnons-nous dans les tenseurs tenseurs d’ordre p o T transposé L où indique considérons l’opérateur différentiel lidéfini partr c B (6.1) L’opérateur les tenseurs. d’applications linéaires de tenseurs d’ordre (p + 1 ) d’ordre p en x et un champ C d’opérateurs en x sur les p . Introduisons l’opérateur différentiel L défini pars champ un sur le passage de aux + L (T CT tenseur d’ordre peut 1 transposéso 3i o . = o p) 0 ~ C L est auto- = adjointo bo Sur les Cet p-formes opérateur peut s’écrire Pour tout tenseur et T , Georges désignerons adjointo En 0 ce par qui de RHAM introduit le laplacien1 explicitement : T y antisymétrique ÜT a ou nons tenseur appellerons laplacien (6 .4) symétrique d’ le tenseur défini par concerne un nous o Cet opérateur ordre 2° de est auto- T 4-12 présente Si T une sumétrie même pour Q est de il en 70 Propagateurs associés antisymétrie ou par à rapport un couple d’ indices, 0 aux opérateurs auto-adjoints les tenseurso sur variété riemannienne de’ dimension paire dont la métrique est ’et j 1’ , sont les deux demi-conoïdes caracte." ’ de type hyperbolique normalo ,Si 03A3+, x x Soit ao une 0 - ristiques x’ , il en E (p)y+-(x) locales res de x distributions dans x existe U 8 pour chaque L support respectivement dans et vé rif iant , élé;entaisystèmes de deux solutions U boule ouverte une deux x’ + r +, sur ou dans et sur , De l’unicité des deux solutions élémentaires définies et du caractère tensoriel du second membre de Xl en x’ Il o en tion U x homogène bo LT P, Supposons sique&#x3E; = 0 des bitenseurs-distributions. On et U (ou L qui le support est dans et dont S’il 0 en a enfin le théorème d’u- l’équa- est solution de sur un demi-conoïde carac- nécessairement nul. est auto-adjoint tenseur de deux noyaux élémentaires u suivant : tout tenseur distribution dans téristique Nous qui sont est un il résulte résulte l’existence dans x) nicité (7.1), appelons propagatcur associé 8 en est ainsi, on a par un raisonnement clas- l’opérateur auto-adjoint L ~ le bi-p-tenseur distribution défini par1 antisymétrique en x conoïde caractéristique est sur le On montre aisément que pour 8. Xl ; 1 , pour ’,, L’opérateur auto-adjoint (A + c) où x’ et il vérifie il a son support dans et l’équation homogène i de la relativité restreintet l’espace-temps Propagateurs antisymétriques associés chaque l’ opérateur à c est un ( Ô + c) sur les formes scalaire cov.ariant o opère 4-13 les sur p-formeso obtient deux x) noyaux tivement dans et Nous En antisymétrisant les noyaux élémentaires -Î ’ 1 , , sur qui et ou appelons propagateur antisymétrique x’ chaque pour corresnondants, on ont leurs supports respec- qui vérifient :1 relatif à (~ + c) la différence : qui jouit des trois propriétés des propagateurs o G G et vérifient des relations différentielles importantes que allons former. Los li x D’autre part . et Ô.x en J* et t permutant permutant :&#x3E; d. x. t . iJ résulte immédiatement de Or~ On opérateurs nous (50 3) queg déduit par soustraction Du théorème d’ unicité Los propagateurs , il ré antisymétriques 1 des différents ordres satisfont aussi aux rela- tions 9 Propagateur Q Supposons que trisation des deux symétrique attaché (A à l’ opé rateur ( 0394 + c ) c) opère sur un tenseur symétrique élémentaires, on obtient deux noyaux + bi-2-tens’eurs distributions symétriques Leur différence définira le propagateur ,.. d’ ordre 2 Par o K±(x’ , x) qui satisfaisant° symétrique K d’ordre 2 Posons 0 symésont 4-14 g03B103B2 K , = Il,, , dent , on , A) f, Far o , raisonnement un G dérivée covariante nulle G et sont les 100 Quantification du champ Dans un espace-temps électromagnétique proposons de F électromagnétique ait libre 0 et en 1 (/). relatifs 2 relativité + c) . o générale. 0 de V, m champ~ c’ est-1.-dire ce bi-2-forme distribution une chaque x’ propagateurs d’ordre métrique donnée quelconque; considérons un champ satisfaisant aux équations de Maxwell du vide. Nous nous quantifier de construire pour paragraphe précé- établira les relations : et si le tenseur àe Ricci où à celui du analogue son support dans et [F(x) évaluer le crochet antisymétrique li sur Dour en x , x’ , qui caractéristique 1 le conoïde , et qui satisfasse ; Si voulons sortir du nous lement hyperbolique L’étude faite en cas au sens purement local, nous supposerons que est V globa- de LERAY . a relativité restreinte conduit à considérer ici la nous bi-2- forme distribution où G est le antisymétrique nous relativité associé à une X générale o du X est manifestement o satisfait (10.1). quantification rigoureuse A3 support De Dlus propagateur antisymétrique d’ordre il résulte que fournit 1 et satisf ait à la condition de est le et (1003) propagateur d’ordre 2 . Des o , expressions Ainsi la relation champ électromagnétique libre en 4-15 11. Le problème de la a. Sur un quantification espace-temps de V4 du champ gravitationnel a métrique donnée satisfaisant aux équations d’Einstein nous décrivons le champ à quantifier propriétés de symétrie et satisfaisant avec aux la condition construire a un [H (x ) , H(xt)J mentaire équations champ analogues = 03B g03B103B2 distribution, o aux équations los tenseurs sur En générale cet o défini par aus Considérons en symétriquest Au n’est pas nous x , conduit 2 }r’ , qui pour . symétrique par rapport une aux couples contraire, il résulte de l’identité de Ricci " identités désiréeso un en.visa,ger l’opérateur  tenseur symétrique défini par .’ e st H , c’est Quantifier la champ antisymétrique l’approximation linéaire opérateur pas (11.1). satisfait v de Maxwell Q Q Q jouissant des H 4-tenseur et qui permet d’évaluer le crochet support da.ns àe manière compatible avec (11.2), ( 1 1 o 3 ) ot la condition supplé- bo L’étude faite à rif ie de moyen d’un courbure, vérifiant supplémentaire H03B1 03B2 bi-4-tenseur un X’ chaque du tenseur de au f orme linéaire arbitraire. Dn montre que que et ne vé- l’opérateur 4-16 co En qui ce concerne les opérateurs figurant modulo les termes obtenus par 120 Cas d’un Si est V4 De (110 5) et quel et de C’ et V (1102) et (110]) on as et soustraction. courbure constante. 0 espace 8 courbure constante (1106) il résulte que , quel que soit1 Fl ( v )x L~â l’opérateur sur les scalaires ’f’ défini par ?° considérons le double-4-tenseur distribution ~ et ou d’ordre X un que soit Introduisons et espace p échange dans 2 vérifie K sont respectivement les relatifs à l’opérateur 0394 - (11.2) ; (11.7) compte-tenu de (9.2). o se réduit pour part :t propagateurs scalaire 6k = K D - 2B . o à ~1 De et (12.2) symétrique il résulte que 4-17 De (9.3) et X et (12.1) déduit :t (1103) ; on a supplémentaire) vérifie la condition on donc la condition de crochet qui fournit une quantification rigoureuse temps de de SITTTR par exemple. a du (compatible aussi avec champ gravitationnelpourun espace-