Причинная структура произвольного (возможно, искривленного) лоренцева многообразия усложняется наличием кривизны . Обсуждение причинной структуры таких многообразий должно быть сформулировано в терминах гладких кривых , соединяющих пары точек. Тогда условия на касательных векторах кривых определяют причинно-следственные связи.
Касательные векторы
Разделение пространства-времени Минковского относительно точки на четыре непересекающихся множества. Световой конус , причинное будущее , причинное прошлое и где-то ещё . Терминология определена в этой статье.
Здесь мы используем метрическую сигнатуру . Мы говорим, что касательный вектор непространственноподобен, если он равен нулю или времениподобен.
Каноническое лоренцево многообразие — это пространство-время Минковского , где и — плоская метрика Минковского . Названия касательных векторов взяты из физики этой модели. Причинно-следственные связи между точками в пространстве-времени Минковского принимают особенно простую форму, поскольку касательное пространство также является таковым, и, следовательно, касательные векторы могут быть отождествлены с точками в пространстве. Четырехмерный вектор классифицируется по знаку , где – декартова координата в трехмерном пространстве, – константа, представляющая универсальный предел скорости, – время. Классификация любого вектора в пространстве будет одинаковой во всех системах отсчета, связанных преобразованием Лоренца (но не общим преобразованием Пуанкаре , поскольку при этом начало координат может быть смещено) из-за инвариантности метрики.
Ориентированность во времени
В каждой точке времениподобные касательные векторы в касательном пространстве точки можно разделить на два класса. Для этого мы сначала определим отношение эквивалентности на парах времениподобных касательных векторов.
Если и являются двумя времениподобными касательными векторами в точке, мы говорим, что и эквивалентны (записывается ), если .
Тогда существуют два класса эквивалентности , которые между собой содержат все времениподобные касательные векторы в точке. Мы можем (произвольно) назвать один из этих классов эквивалентности ориентированным в будущее , а другой — ориентированным в прошлое . Физически такое обозначение двух классов времениподобных векторов, направленных в будущее и прошлое, соответствует выбору стрелы времени в точке. Обозначения, ориентированные на будущее и прошлое, могут быть расширены до нулевых векторов в точке за счет непрерывности.
Лоренцево многообразие является ориентированным во времени [1] , если непрерывное обозначение направленных в будущее и направленных в прошлое для непространственноподобных векторов может быть сделано на всем многообразии.
Кривые
Путь в — это непрерывное отображение, где — невырожденный интервал (т . е. связное множество, содержащее более одной точки) в . Гладкий путь имеет дифференцируемость соответствующее количество раз (обычно ) , а регулярный путь имеет ненулевую производную.
Кривая в — это образ пути или, точнее, класс эквивалентности образов путей, связанных перепараметризацией, т. е . гомеоморфизмами или диффеоморфизмами пути . Когда кривая ориентирована по времени, кривая ориентирована , если требуется, чтобы изменение параметра было монотонным .
Гладкие регулярные кривые (или пути) можно классифицировать в зависимости от их касательных векторов. Такая кривая
хронологический (или времениподобный ), если касательный вектор времениподобен во всех точках кривой. Также называется мировой линией . [2]
null , если касательный вектор равен нулю во всех точках кривой.
пространственноподобен , если касательный вектор пространственноподобен во всех точках кривой.
причинный (или непространственноподобный ), если касательный вектор времениподобен или равен нулю во всех точках кривой.
Требования регулярности и невырожденности гарантируют, что замкнутые причинные кривые (например, состоящие из одной точки) не допускаются автоматически во все пространства-времени.
Если многообразие ориентировано во времени, то непространственноподобные кривые можно дополнительно классифицировать в зависимости от их ориентации относительно времени.
Хронологическая, нулевая или причинно-следственная кривая
направлено в будущее , если для каждой точки кривой касательный вектор направлен в будущее.
направлено в прошлое , если для каждой точки кривой касательный вектор направлен в прошлое.
Эти определения применимы только к причинным (хронологическим или нулевым) кривым, поскольку только времениподобным или нулевым касательным векторам можно присвоить ориентацию относительно времени.
Замкнутая времяподобная кривая — это замкнутая кривая, которая везде времениподобна, направленная в будущее (или всюду времениподобна, направленная в прошлое).
Замкнутая нулевая кривая — это замкнутая кривая, которая везде имеет нулевое значение, направленное в будущее (или всюду нулевое, направленное в прошлое).
Голономия отношения скорости изменения аффинного параметра вокруг замкнутой нулевой геодезической является фактором красного смещения .
Причинно-следственные связи
Между точками и в многообразии существует несколько причинно-следственных связей .
хронологически предшествует (часто обозначается ), если существует направленная в будущее хронологическая (времяподобная) кривая от до .
строго причинно предшествует (часто обозначается ), если существует направленная в будущее причинная (непространственноподобная) кривая от до .
причинно предшествует (часто обозначается или ), если строго причинно предшествует или .
horismos [3] (часто обозначается или ), если или существует направленная в будущее нулевая кривая от до [4] (или, что то же самое, и ).
Эти отношения удовлетворяют следующим свойствам:
подразумевает (это тривиально следует из определения) [5]
, подразумевает [5]
, подразумевает [5]
, , транзитивны . _ [5] не является транзитивным. [6]
, рефлексивны [4 ]
Для точки многообразия определим [5]
Хронологическое будущее России обозначается , как совокупность всех точек в таком, что хронологически предшествует :
Хронологическое прошлое России обозначается , как совокупность всех точек в таком виде, что хронологически предшествует :
Аналогично определяем
Причинное будущее (также называемое абсолютным будущим ) обозначается как совокупность всех точек в таком, что причинно предшествует :
Причинное прошлое (также называемое абсолютным прошлым ) обозначается как совокупность всех точек в таком, что причинно предшествует :
Будущий нулевой конус как набор всех точек в таком, что .
Прошлый нулевой конус как набор всех точек в таком, что .
Световой конус как будущее и прошлое составляют нулевые конусы вместе. [7]
в другом месте как точки, не находящиеся в световом конусе, причинном будущем или причинном прошлом. [7]
Точки, содержащиеся в , например, могут быть достигнуты с помощью времениподобной кривой, направленной в будущее. Точка может быть достигнута, например, из точек, содержащихся в направленной в будущее непространственноподобной кривой.
Хронологическое будущее относительно , является хронологическим будущим рассматриваемого как подмногообразие . Обратите внимание, что это совершенно другая концепция , которая дает набор точек, в которых могут быть достигнуты направленные в будущее времениподобные кривые, начиная с . В первом случае кривые должны лежать, во втором — нет. См. Хокинг и Эллис.
Причинное будущее относительно , является причинным будущим, рассматриваемым как подмногообразие . Обратите внимание, что это совершенно другая концепция, которая дает набор точек, в которых могут быть достигнуты направленные в будущее причинные кривые, начиная с . В первом случае кривые должны лежать, во втором — нет. См. Хокинг и Эллис.
Будущее множество — это множество, закрытое в хронологическом будущем.
Прошлый набор — это набор, закрытый по хронологическому прошлому.
Неразложимое прошлое множество (IP) — это прошлое множество, которое не является объединением двух разных подмножеств открытого прошлого.
IP, который не совпадает с прошлым какой-либо точки, называется терминальным неразложимым множеством прошлого (TIP).
Правильный неразложимый набор прошлого (PIP) — это IP, который не является TIP. является собственным неразложимым прошлым множеством (PIP).
Будущее развитие Коши представляет собой набор всех точек , для которых каждая направленная в прошлое нерастяжимая причинная кривая пересекается хотя бы один раз. То же самое и с прошлым развитием Коши. Развитие Коши представляет собой объединение будущих и прошлых разработок Коши. Разработки Коши важны для изучения детерминизма .
Подмножество является хрональным, если не существует такого , что или, что то же самое, if не пересекается с .
Причинный алмаз
Поверхность Коши представляет собой замкнутое хрональное множество, развитие Коши которого равно .
Метрика называется глобально гиперболической, если она расслаивается на поверхности Коши.
Множеством , нарушающим хронологию , называется множество точек, через которые проходят замкнутые времениподобные кривые.
Множество , нарушающее причинность, — это множество точек, через которые проходят замкнутые причинные кривые.
Границей множества, нарушающего причинность, является горизонт Коши . Если горизонт Коши создается замкнутыми нулевыми геодезическими, то с каждой из них связан коэффициент красного смещения.
Для причинной кривой причинный ромб ( здесь мы используем более широкое определение «кривой», согласно которому это просто набор точек) — это точка в причинном прошлом . Другими словами: причинный ромб мировой линии частицы — это совокупность всех событий, которые лежат как в прошлом некоторой точки в , так и в будущем некоторой точки в . В дискретной версии причинный ромб представляет собой совокупность всех причинных путей, соединяющихся с .
Характеристики
См. Пенроуз (1972), стр. 13.
Точка находится в том и только в том случае, если находится в .
для всех подмножеств . Вот и завершение подмножества .
Конформная геометрия
Две метрики и конформно связаны [8] , если для некоторой вещественной функции, называемой конформным фактором . (См. конформную карту ).
Глядя на определения того, какие касательные векторы являются времениподобными, нулевыми и пространственноподобными, мы видим, что они остаются неизменными, если мы используем или . В качестве примера предположим , что это времениподобный касательный вектор относительно метрики. Это значит, что . Тогда мы имеем, что это времениподобный касательный вектор относительно тоже .
Отсюда следует, что причинная структура лоренцева многообразия не изменяется при конформном преобразовании .
Нулевая геодезическая остается нулевой геодезической при конформном изменении масштаба.
Конформная бесконечность
Бесконечная метрика допускает геодезические бесконечной длины/собственного времени. Однако иногда мы можем выполнить конформное масштабирование метрики с конформным коэффициентом, который достаточно быстро падает до 0 по мере приближения к бесконечности, чтобы получить конформную границу многообразия. Топологическая структура конформной границы зависит от причинной структуры.
Направленные в будущее времениподобные геодезические в конечном итоге оказываются на будущей времениподобной бесконечности .
Направленные в прошлое времяподобные геодезические в конечном итоге оказываются в прошлом , подобном времени, бесконечности .
Направленная в будущее нулевая геодезическая в конечном итоге оказывается на ℐ + , будущей нулевой бесконечности .
Нулевая геодезическая, направленная в прошлое, оказывается на ℐ − , нулевой бесконечности прошлого .
Пространственноподобные геодезические оказываются на пространственноподобной бесконечности .
В различных помещениях:
Пространство Минковского : точки, ℐ ± — нулевые листы, а пространственноподобная бесконечность имеет коразмерность 2.
Пространство Антиде Ситтера : не существует времениподобной или нулевой бесконечности, а пространственноподобная бесконечность имеет коразмерность 1.
Пространство де Ситтера : будущее и прошлое времениподобной бесконечности имеют коразмерность 1.
Гравитационная сингулярность
Если геодезическая заканчивается после конечного аффинного параметра и невозможно расширить многообразие для расширения геодезической, то мы имеем особенность .
^ Галлоуэй, Грегори Дж. «Заметки о лоренцевой причинности» (PDF) . Летняя школа ESI-EMS-IAMP по математической теории относительности . Университет Майами. п. 4 . Проверено 2 июля 2021 г.
^ Пенроуз 1972, с. 15
^ аб Пападопулос, Кириакос; Ачарджи, Сантану; Пападопулос, Бэзил К. (май 2018 г.). «Порядок на световом конусе и его индуцированная топология». Международный журнал геометрических методов в современной физике . 15 (5): 1850069–1851572. arXiv : 1710.05177 . Бибкод : 2018IJGMM..1550069P. дои : 10.1142/S021988781850069X. S2CID 119120311.
^ abcdef Пенроуз 1972, с. 12
↑ Стойка, OC (25 мая 2016 г.). «Причинная структура и измерение пространства-времени на основе горизмотических отношений». Журнал гравитации . 2016 : 1–6. arXiv : 1504.03265 . дои : 10.1155/2016/6151726 .
Пенроуз, Р. (1972), Методы дифференциальной топологии в теории относительности , SIAM, ISBN 0898710057
Сард, Р.Д. (1970). Релятивистская механика - Специальная теория относительности и классическая динамика частиц . Нью-Йорк: WA Бенджамин. ISBN 978-0805384918.
С.В. Хокинг , А.Р. Кинг, П.Дж. Маккарти; Новая топология искривленного пространства-времени, включающая причинную, дифференциальную и конформную структуры ; Дж. Математика. Физ. 17 2:174-181 (1976); (Геометрия, Причинная структура )
А.В. Левичев; Задание конформной геометрии лоренцева многообразия посредством его причинной структуры ; Советская математика. Докл. 35:452-455 (1987); (Геометрия, Причинная структура )
Д. Маламент ; Класс непрерывных времяподобных кривых определяет топологию пространства-времени ; Дж. Математика. Физ. 18 7:1399-1404 (1977); (Геометрия, Причинная структура )
А. А. Робб ; Теория времени и пространства ; Издательство Кембриджского университета, 1914 год; (Геометрия, Причинная структура )
А. А. Робб ; Абсолютные отношения времени и пространства ; Издательство Кембриджского университета, 1921; (Геометрия, Причинная структура )
А. А. Робб ; Геометрия времени и пространства ; Издательство Кембриджского университета, 1936; (Геометрия, Причинная структура )
Р.Д. Соркин , Э. Вулгар; Причинный порядок для пространства-времени с лоренцевой метрикой C^0: доказательство компактности пространства причинных кривых ; Классическая и квантовая гравитация 13: 1971–1994 (1996); arXiv:gr-qc/9508018 ( Причинная структура )