a ê
s ¤M ] K ¡ù p § Ó Þ X ¢ ¤ ¤V ê s6 V R ËT Â ] ØÊ Ý de Sitter « m
T
4 w H ¸
∗Ø
æ· ¡ ¤@ / < Æ § Ó ü to < Æõ , ' õ AÅ Ò 361-763 (2008¸ 4 Z 4 1{ 9 ~ Ã Î6 £ §)
©
/ B G l < Æ` ¦ 6 x # b ç ïÚ ÔÛ ¼v / B Nç ß _ l & h : £ ¤$ í ` ¦ ½ ¨ % i . © / B Gl < ÆÜ ¼ Ð & ñ _ ô Ç
©
/ B Gì ø Í â õ © / B Gy ¸ H r / B Nç ß _ ² D G è& h l ½ ¨ ¸\ ¦ ¸ ú [ O " î K ï r . s \ ¦ 6 x # Lorentz ¨ 8 õ Bondi כ ¹ è, Õ ªo ¦ { 9 & ñ > 5 Å q~ à ΠH l ï r> \ ¦ ¸¿ º © / B G/ B Nç ß _ ý a³ ð ¨ 8 Ü ¼ Ð s K ô Ç . de Sitter /
B
Nç ß ¸ s ' a& h \ " f s K ô Ç .
PACS numbers: 03.03.+p
Keywords: ©/BGl <Æ, :£¤Ãº©@/$ís:r
I. " e  ] Ø
¾
» : r_ ë ß Ä » § 4 s : r` ¦ © @ / : r o ô Ç { 9 ì ø Í © @ /$ í s : r
É
r \ -t -Ó ü t| 9 \ _ K r / B Nç ß s # Qb G> 6 f# Qt H
H כ Ü ¼ Ð [ O " î ô Ç . 7 £ ¤ Ó ü t| 9 _ > rF r / B Nç ß _ l < Æ
&
h
½ ¨ ¸\ ¦ & ñ ô Ç H כ Ü ¼ Ð × æ§ 4 s : r` ¦ s K ½ + É Ã º e
. ô Ǽ # 6 f# Q r / B Nç ß ¸ ² D G è& h Ü ¼ Ð H ¨ î ¨ î ô Ç r / B Nç ß õ
° ú ¦, ¢ ¸ ¨ î ¨ î ô Ç r / B Nç ß \ H : £ ¤Ã º © @ /$ í " é ¶o & h 6 x
÷
&Ù ¼ Ð : £ ¤Ã º © @ /$ í s : r_ l & h ½ ¨ ¸\ ¦ s K H כ É r Ó
ü
t| 9 \ _ K 6 f# Q r / B Nç ß _ ² D G è& h $ í ` ¦ s K
HX < e # Q" f 9 Ã º& h s . ´ ú § É r â Ä º, © @ / : r_ l & h s K
H ÐE $ Þ ÔÔ ¦ $ í õ s \ É r p ì rl < Æ& h # Q $ í [
þ
t` ¦ ¸ Ù ¼ Ð s À Ò# Qt HX <, s H è Æ Ò © & h s
e .
{ 9
© _ â + « >\ " f  Ò' e ¸ n qô Ç Ä »9 þ to × ¼ / B Nç ß \ " f Ô ¦
_ U ´s כ ¹ è H ds
2= dx
2 X <, s כ É r r \ @ /ô Ç
@
/g A$ í s e ¦ Õ ª QÙ ¼ Ð ý a³ ð " é ¶& h \ × æd s e H ½ ¨ H
"
é
¶& h \ @ /ô Ç r \ @ /K Ô ¦ & h $ í ` ¦ t ¦ e .
ô
Ǽ # : £ ¤Ã º © @ / : rs & h 6 x÷ & H / B Nç ß b ç ïÚ ÔÛ ¼v / B Nç ß \
"
f Ô ¦ U ´s כ ¹ è H è { 9 © _ â + « >õ H 1 l xb # Q ds
2= dt
2−dx
2 X <, s / B Nç ß \ " f 1 l x1 p xô Ç ý a³ ð> [ þ t\ @ / ô
Ç Ô ¦ _ ª ^ \ ' aô Ç ½ ¨ H b ç ïÚ ÔÛ ¼v / B Nç ß _ l
& h ½ ¨ ¸\ ¦ ¸ ú s K > K × ¦ כ s .
:
r 7 Hë H\ " f H, s Qô Ç ' a& h \ " f, © / B Gl < Æ` ¦ 6 x
# © / B G _ ý a³ ð ¨ 8 \ @ /ô Ç Ô ¦ $ í \ ' aô Ç ½ ¨\ ¦ ]
j2] X \ " f À Ò% 3 . Õ ªo ¦ b ç ïÚ ÔÛ ¼v / B Nç ß \ " f_ Ô ¦
U ´s ü < Ô ¦ _ © / B Gy ¸\ ' aô Ç ½ ¨ H ] j3] X \ " f
∗E-mail: [email protected]
À
Ò% 3 Ü ¼ 9, © / B Gy ¸ü < Bondi-כ ¹ è x 9 de Sitter / B Nç ß \ ' a ô
Ç ½ ¨ H ] j4] X \ " f À Ò% 3 . Õ ªo ¦ : r É r ] j5] X \
? /§ 4 .
II. a ê s ¤M ] K ¡Ê Ý a ê s ¤ Ò Å8 ý ÷ s Ú ì ÅV R Ë
©
/ B Gl < Æ` ¦ [1] ¶ ú ( R Ðl \ Ä »9 þ to × ¼/ B Nç ß \ " f_
"
é
¶õ " é ¶_ r \ @ /ô Ç Ô ¦ $ í ` ¦ ¶ ú ( R Ð . s " é ¶ Ä »9 þ t o
× ¼ / B Nç ß \ " f ý a³ ð_ " é ¶& h \ × æd & h s e H ½ ¨, 7 £ ¤ " é ¶
É
r ý a³ ð_ " é ¶& h ` ¦ × æd Ü ¼ Ð # e _ _ y ¸ θ Ð r K
¸ Õ ª ¸ ª s t · ú § H . 7 £ ¤
x = A cos φ (1)
y = A sin φ
Ñ ü t M : x
2+ y
2 H φ \ Á º ' aô Ç A
2s ¦, Õ ª QÙ ¼ Ð x
0= A cos(φ − θ) (2) y
0= A sin(φ − θ)
¿ º# Q ¸ x
02+ y
02= A
2s ) a .
s
â Ä º (2)\ ¦ > h
x
0= cos θ x + sin θ y (3) y
0= − sin θ x + cos θ y
s
÷ & HX <, s כ É r ô Ç & h ` ¦ ¿ º > h_ 1 l x1 p xô Ç ý a³ ð> \ " f 8
£
¤& ñ ½ + É â Ä º ý a³ ð° ú כs # Qb G> ¨ 8 H\ ¦ Ð# ï r .
s
] j s Qô Ç l : r& h l < Æ& h z ´` ¦ l : r~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð
# b ç ïÚ ÔÛ ¼v / B Nç ß \ " f_ ÐE $ Þ Ô Ô ¦ ª ^ ü < ý a³ ð
-36-
Θ Θ
x y
x’
y’
A Φ-Θ
Fig. 1. A circle of radius A in relatively rotated coor- dinate axes. It is invariant with respect to rotations of coordinates axes.
x X A
Θ Θ
Ψ Φ t
T
x-axis t-axis
X-axis T-axis
P
Q
O
Fig. 2. It represents projections of a point on a hyper- bolic curve into (x, t) and (x
0, t
0) axes. The Euclidean distance from the point to the origin is A.
¨ 8 ` ¦ ¶ ú ( R Ð . s \ ¦ 0 AK Ä ºo e ¸ n qô Ç Ä »9 þ to × ¼/ B N ç
ß
\ " f s Qô Ç $ í | 9 [ þ t` ¦ ¸ K Ð ¦, ¢ ¸ Ä »9 þ to × ¼ / B Nç ß
`
¦ ¦| 9 ½ + É â Ä º Ô ¦¼ # ô Ç & h É r Á º% Á t · ú Ð .
Ä
º f y ý a³ ð> \ " f à ºf » ¡ ¤` ¦ t Ð, à º¨ î » ¡ ¤` ¦ x ¿ º
¦ s ý a³ ð> \ " f
x
2− t
2= ρ
2(4)
Ð ³ ð & ³÷ &# Qt H © / B G s É r ý a³ ð> (x
0, t
0)\ " f ¸ x
02− t
02= ρ
2 Ð ³ ð & ³÷ & H, Õ ª (x
0, t
0) ý a³ ð> \ ¦ ½ ¨
$ í
K Ð . s כ É r 6 £ §õ ° ú s # ½ ¨$ í ½ + É Ã º e HX <, Ä
º X » ¡ ¤ É r x » ¡ ¤` ¦ y ¸ θ ë ß p u t » ¡ ¤Ü ¼ Ð r ô Ç כ s
¦, T » ¡ ¤ É r t » ¡ ¤` ¦ θ ë ß p u x » ¡ ¤Ü ¼ Ð r ô Ç כ s
. Õ ªo ¦ © / B G x
2− t
2= ρ
2 © _ e _ _ & h P_ 0
Au 7 ' _ ß ¼l \ ¦ A, Õ ªo ¦ s 0 Au 7 ' X » ¡ ¤õ s ê
r y ¸\ ¦ φ . Õ ªo ¦ s 0 Au 7 ' T » ¡ ¤õ s ê
r y ¸\ ¦ ψ
x = A cos(θ + φ) (5)
t = A sin(θ + φ) (6)
X <, # l " f y ¸[ þ t É r 6 £ §õ ° ú É r ' a> \ ¦ ë ß 7 á ¤r .
2θ + φ + ψ = π
2 (7)
ô
Ǽ # P& h ` ¦ X » ¡ ¤Ü ¼ Ð È Ò% ò ô Ç X » ¡ ¤ © _ 0 Au \ ¦ Q Ñ
ü
tM :, ý a³ ð_ " é ¶& h Oü < P& h , Õ ªo ¦ Q& h s ë ß H y + þ A OPQ\ @ /K " f & ñ & ³Z O g Ë :` ¦ 6 x
X
sin ψ = T
sin φ = A
sin(φ + ψ) (8)
`
¦ % 3 H . s d ` ¦ 6 x # X
2− T
2` ¦ A Ð ³ ðr ô Ç Ê ê, (5)õ (6)` ¦ (4)\ @ /{ 9 ô Ç d ` ¦ 6 x # A\ ¦ ρ Ð ³ ð & ³
© / B G _ ~ ½ Ó& ñ d É r
X
2− T
2= ρ
2cos 2θ (9) s
H d` ¦ · ú Ã º e . s ] j ý a³ ð (X, T )_ ' ¸\ ¦ ¸& ñ
#
x
0= √
cos 2θ X (10) t
0= √
cos 2θ T (11) s
& ñ _
x
02− t
02= ρ
2(12) s
$ í w n ô Ç . 7 £ ¤, Ä »9 þ to × ¼ / B Nç ß \ " f © / B G É r x » ¡ ¤õ t
»
¡
¤` ¦ x = t ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð ° ú É r y ¸ θ ë ß p u ¸ É r Ê ê, √ cos 2θ כ
¹ è Ð ' ¸ ¸& ñ ` ¦ ô Ç ý a³ ð> (x
0, t
0)\ " f Õ ª g 1 Js Õ ª@ /
Ð Ä »t H d` ¦ · ú Ã º e . s X O > U ´s _ ' ¸\ ¦ ¸& ñ
H כ É r l : r& h Ü ¼ Ð © @ / : r_ U ´s à º» ¡ ¤õ ' a> e H X
<, Á º É r © / B G _ Ô ¦ ` ¦ ½ ¨ l 0 Aô Ç ý a³ ð> H Ä » 9
þ
to × ¼& h ý a³ ð> > h¥ Æ ` ¦ 8 A# Q Å H כ Ü ¼ Ð s \ ¦ 0 AK " f
H 7 á § 8 Ä »Û ¼ Qî r µ 1 Ï © _ ¨ 8 s 9 כ ¹ ¦ x .
III. à S Ë Â¬ W « m; c" e8 ý ÷ s Ú ì Å P c ly ¢
s
] j (x, t) ý a³ ð> \ " f x
2− t
2= ρ
2\ ¦ ë ß 7 á ¤ H # Q "
©
/ B G ` ¦ ½ ¨$ í ô Ç Ê ê, s © / B G _ e _ _ & h P\ " f © / B G
` ¦ Ô ¦ _ U ´s s ë ß p u t x-» ¡ ¤ © \ e H
&
h
Q\ ¸² ú ô Ç ¦ . # l " f s H Ó ü t : r
s = Z
PQ
ds (13)
Ρ J s t
x P
O Q
Fig. 3. It represents the hyperbolic angle ϑ, Lorentz invariant length ρ and arc length s.
ü
< ° ú s & ñ _ ÷ & HX <, # l " f ds
2= dt
2− dx
2s . Õ ªo
¦ x » ¡ ¤õ P& h _ 0 Au 7 ' s _ © / B Gy ¸ ϑ\ ¦ ÐE $ Þ Ô Ô
¦ | ¾ Ó ρü < s\ ¦ 6 x # ϑ = s
ρ (14)
ü
< ° ú s & ñ _ ¦, ρü < ϑ\ ¦ 6 x # xü < t\ ¦ 6 £ §õ ° ú s
& ñ _ .
x = ρ cosh ϑ (15)
t = ρ sinh ϑ (16)
s
d _ _ p \ ¦ ¶ ú ( R Ðl 0 A # ¢ ¸ É r ý a³ ð» ¡ ¤` ¦ Ò q t y
K Ð . Ä º x » ¡ ¤` ¦ © / B Gy ϕ ë ß p u ì ø Ír > ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð
r ô Ç » ¡ ¤` ¦ x
0» ¡ ¤Ü ¼ Ð, Õ ªo ¦ t » ¡ ¤` ¦ ϕ ë ß p u r > ~ ½ Ó ¾ Ó Ü
¼ Ð r ô Ç » ¡ ¤` ¦ t
0» ¡ ¤s . Õ ªo ¦ ý a³ ð ¨ î \ e
H ô Ç & h P x
0-» ¡ ¤\ @ /K " f ϑ
0ë ß ô Ç y ¸ Ð " é ¶& h \ " f Ô
¦ U ´s ρ ë ß p u b # Q4 R e ¦ .
s
] j ϑ = ϑ
0+ ϕ \ ¦ (15)õ (16)\ @ /{ 9 ô Ç Ê ê > h x = x
0cosh ϕ + t
0sinh ϕ (17) t = x
0sinh ϕ + t
0cosh ϕ (18)
\
¦ % 3 HX <, # l " f Ô ¦ _ U ´s ρ H ý a³ ð> \ Á º ' a < Ê
`
¦ 6 x % i . : £ ¤y (17)\ " f t
0= 0 ¿ º x = x
0cosh ϕs ÷ & HX <, s כ É r x
0» ¡ ¤` ¦ x » ¡ ¤Ü ¼ Ð È Ò% ò Õ
ª È Ò% ò ) a $ í ì rs x
0_ cosh ϕ C e ` ¦ ´ ú K ï r . 7 £ ¤ Ä »9 þ t o
× ¼ / B Nç ß \ " f y ¸ θ Ð Z O # Q ¿ º » ¡ ¤\ " f È Ò% ò ½ + É M : H Õ
ª È Ò% ò כ ¹ è cos θs t ë ß , © / B Gl \ " f H È Ò% ò כ ¹ è
cosh ϕe ` ¦ ´ ú K ï r . Õ ªo ¦ (15)õ (16) H y y P& h ` ¦
j
J' x-axis
x’-axis t-axis t’-axis
Ρ P
O
Fig. 4. The angle between the position vector of P and the x
0-axis is ϑ
0, and the angle between this vector and the x-axis is ϑ = ϑ
0+ ϕ.
j
x=x'coshj x-axis x’-axis
t-axis t’-axis
Fig. 5. The hyperbolic angle ϕ is the angle for coordinate projection.
x » ¡ ¤õ t » ¡ ¤Ü ¼ Ð È Ò% ò ô Ç $ í ì r` ¦ ? / H d e ` ¦ Ð# ï r
. : £ ¤y Ô ¦ _ U ´s כ ¹ è ds
2= dt
2− dx
2 H © / B Gy ¸ ü
< ì ø Í â ` ¦ æ ¼
ds
2= ρ
2dϑ
2− dρ
2(19) s
) a .
s
] j ¿ º ý a³ ð> _ _ y ¸ ϕ @ / \
β = tanh ϕ (20)
γ = cosh ϕ (21)
\
¦ & ñ _ # (17)\ ¦ & ñ o K Ð
x = γ(x
0+ βt
0) (22) t = γ(t
0+ βx
0) (23) s
÷ & HX <, s H Ó ü t : r ¸ ú · ú 9 : £ ¤Ã º © @ / : r_ ¨ 8 d Ü ¼
Ð" f β H ¿ º ' a$ í > _ © @ /& h 5 Å q§ 4 ` ¦ Í Ç r` ¦ · ú Ã º e
Ρ J
s t
x ΓΡ
P
Q Ρ
Fig. 6. When a point on a hyperbolic curve with invari- ant length ρ is projected into the x-axis, its component becomes γρ.
. ² D G © / B Gl < Æ` ¦ 6 x ÐE $ Þ Ô ¨ 8 É r © / B G/ B N ç
ß
\ " f © / B G ` ¦ Ô ¦ Ü ¼ Ð H ý a³ ð ¨ 8 Ü ¼ Ð ~ 1 > [ O " î
½ +
É Ã º e 6 £ §` ¦ Ð# ï r .
IV. a ê s ¤P c ly ¢Ñ ÷ Bondi ~ ¿} º
s
] j © / B Gy ¸_ Ó ü to & h _ p \ ¦ ¶ ú ( R Ð . s \ ¦ 0 A K
x » ¡ ¤\ " f © / B Gy ¸ ϑ ë ß p u Z O 94 R e ¦, " é ¶& h \ " f ρ ë ß
p
u b # Q e _ _ & h P\ ¦ Ò q ty K Ð . s P\ ¦ t H © /
B
G s x » ¡ ¤õ ë ß H & h ` ¦ Q ½ + É M :, Q_ x ý a³ ð H ρs
. Õ ªo ¦ P& h ` ¦ x » ¡ ¤Ü ¼ Ð È Ò% ò ô Ç $ í ì r É r ρ cosh ϑ, 7 £ ¤ ργs ) a . ô Ǽ # Q\ " f P\ ¦ t H © / B G ` ¦ Qü <
P s _ ñ_ U ´s \ ¦ s s כ É r ds
2= dt
2− dx
2\
" f Ò'
s = Z
γρρ
dx sµ dt
dx
¶
2− 1
= Z
γρρ
dx r³ x
t
´
2− 1
= ρ Z
γρρ
dx t s
) a . ô Ǽ # t = p
x
2− ρ
2\ ¦ À »d \ @ /{ 9
s = ρ Z
γρρ
p dx x
2− ρ
2= ρ 2 log
µ 1 + β 1 − β
¶
= ρ log K (24)
\
¦ % 3 HX <, # l " f β = p
γ
2− 1/γ s ¦ K H
K = s
1 + β
1 − β (25)
Ð Å Ò# Qt H ¿ º ' a$ í > s _ Bondi כ ¹ ès [2]. Õ ª Q Ù
¼ Ð Ô ¦ _ © / B Gy ϑ = s/ρ H (24)\ " f Ò'
ϑ = log K (26)
s
¦, ² D G Bondi כ ¹ è H
K = e
ϑ(27)
ü
< ° ú s © / B Gy _ t à º < Êà º Ð Å Ò# Q .
s
] j de Sitter/ B Nç ß [3]- [8]õ _ ' a> \ ¦ · ú Ðl 0 AK {
9
& ñ > 5 Å q~ Ã Î H ý a³ ð> \ @ /K ¶ ú ( R Ð . # Q " ý a³ ð
>
' a$ í ý a³ ð> \ @ /K 5 Å q ¸ a Ð 5 Å q ) a , ' a$ í ý
a³ ð> \ " f : r Õ ª ý a³ ð> _ 5 Å q ¸ H v + dv = v + adτ
1 + vadτ (28)
X <, # l " f dτ H 5 Å q~ à ΠH ý a³ ð> \ " f : r  ú ª É r r ç ß _
â ì2 £ §s ¦, v H ' a$ í > \ " f ' a8 £ ¤ô Ç 5 Å q> _ 5 Å q ¸s
. s d ` ¦ & h ì r x = 1
a cosh ϑ (29) t = 1
a sinh ϑ (30)
`
¦ % 3 HX <, # l " f
ϑ = aτ (31)
s
. ô Ǽ # (29)õ (30)` ¦ (16)õ (15)õ q § 5 Å q ¸
H © / B G/ B G _ ì ø Í â õ
a = 1
ρ (32)
_
' a> \ ¦ f ` ¦ · ú Ã º e HX <, d (29) - (32) H Ä »9 þ to
×
¼ / B Nç ß \ " f_ 1 p x5 Å q" é ¶î r1 l x\ K { © H d õ Ä » H
z ´` ¦ Ð# ï r .
V. + s Ç Â ] Ø
r
/ B Nç ß _ ² D G è& h ½ ¨ ¸\ ¦ & ñ H b ç ïÚ ÔÛ ¼v / B Nç ß
É
r © / B Gl < ÆÜ ¼ Ð [ O " î ÷ &# Q . s \ ¦ 0 AK ÐE $ Þ ÔÔ ¦
s © / B Gy õ ì ø Í â ` ¦ & ñ _ ¦, s \ ¦ ½ ÓÜ ¼ Ð © / B G < Ê Ã
º\ ¦ 6 xô Ç ý a³ ð> È Ò% ò s ê ø Í > h¥ Æ ` ¦ 6 x : £ ¤Ã º ©
@
/$ í _ l : r > h¥ Æ [ þ ts l < Æ& h Ü ¼ Ð ¸ ú [ O " î ) a . : £ ¤y
©
/ B Gy ϑ H ' a$ í > _ Bondiכ ¹ è Kü < K = e
ϑ H ' a>
\
¦ t HX <, Bondiכ ¹ è_ Y L l $ í | 9 É r © / B Gy _ 8
l $ í | 9 \ " f 6 §` ¦ · ú Ã º e . : £ ¤y { 9 & ñ > 5 Å q
~ Ã
Î H > \ ¦ ? / H de Sitter / B Nç ß É r 1 p x5 Å q" é ¶î r1 l x H ý a
³
ð> ü < Ã º < Æ& h Ü ¼ Ð Ä » ô Ç $ í | 9 ` ¦ ° ú ¦ e 6 £ § ¸ · ú Ã º e
.
P c
p 8 ý ò k >
s
7 Hë H É r 2007¸ ¸ Ø æ· ¡ ¤@ / < Æ § < ÆÕ ü t ½ ¨t " é ¶ \ O _
½ ¨q t " é ¶\ _ # ½ ¨÷ &% 3 6 £ §.
Y c
p w à U Ø ô
[1] J. W. Cannon, W. J. Floyd, R. Kenyon and W. R. Parry, Flavors of Geometry, 91, 59 (1997).
[2] M. Ludvigsen, General Relativit, A Geometric Ap- proach (Cambridge University Press, 1999), Chap. 3.
[3] S. W. Hawking and G. F. R. Ellis, The Large Scale Structure of Space-time (Cambridge University Press, 1973), Chap. 5.
[4] R. Aldrovandi, J. P. Beltran Almeida and J. G. Pereira, Class. Quant. Grav. 24, 1385 (2007).
[5] F. Mansouri, Phys. Lett. B 538, 239 (2002).
[6] R. Aldrovandi, J. P. Beltran Almeida, C. S. O. Mayor and J. G. Pereira, Lorentz transformations in de Sit- ter relativity arXiv.org/abs/0709.3947
[7] U. Moschella, Prog. Math. Phys. 47, 120 (2006).
[8] Jean-Pierre Gazeau and Marc Lachieze-Rey, Quan- tum Field Theory in de Sitter space : A survey of recent approaches, arXiv.org/abs/hep-th/0610296
Special Relativity and de Sitter Spaces by Using a Hyperbolic Geometry
Won Sik L’Yi
∗Department of Physics, Chungbuk National University, Cheongju 361-763 (Received 1 April 2008)
A hyperbolic geometry is used to investigate the geometric properties of the Minkowski space.
Lorentz transformations, Bond factors, and constantly accelerated reference frames are all inter- preted in terms of the coordinate transformations of hyperbolic spaces that visualize the local geometric structure of the space-time. The de Sitter space is also investigated in this way.
PACS numbers: 03.03.+p
Keywords: Hyperbolic geometry, Special relativity
∗E-mail: [email protected]