stringtranslate.com

Причинная структура

В математической физике причинная структура лоренцева многообразия описывает причинные связи между точками в многообразии.

Введение

В современной физике (особенно в общей теории относительности ) пространство-время представляется лоренцевым многообразием . Причинно-следственные связи между точками многообразия интерпретируются как описание того, какие события в пространстве-времени могут влиять на какие другие события.

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.

Если это лоренцево многообразие (для метрики на многообразии ), то ненулевые касательные векторы в каждой точке многообразия можно разделить на три непересекающихся типа. Касательный вектор :

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

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

Эти определения применимы только к причинным (хронологическим или нулевым) кривым, поскольку только времениподобным или нулевым касательным векторам можно присвоить ориентацию относительно времени.

Причинно-следственные связи

Между точками и в многообразии существует несколько причинно-следственных связей .

Эти отношения удовлетворяют следующим свойствам:

Для точки многообразия определим [5]

Аналогично определяем

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.

В пространстве-времени Минковского множество представляет собой внутреннюю часть будущего светового конуса в точке . Набор представляет собой полный световой конус будущего по адресу , включая сам конус.

Эти множества , определенные для всех в , вместе называются причинной структурой .

Для подмножества определим [ 5 ]

Для двух подмножеств мы определяем

Причинный алмаз

Характеристики

См. Пенроуз (1972), стр. 13.

Топологические свойства:

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.

В различных помещениях:

Гравитационная сингулярность

Если геодезическая заканчивается после конечного аффинного параметра и невозможно расширить многообразие для расширения геодезической, то мы имеем особенность .

Абсолютный горизонт событий — это нулевой конус будущего времениподобной бесконечности. Он создается нулевыми геодезическими, которые подчиняются оптическому уравнению Райчаудхури .

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Хокинг и Израиль 1979, с. 255
  2. ^ 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.
  3. ^ Пенроуз 1972, с. 15
  4. ^ 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.
  5. ^ abcdef Пенроуз 1972, с. 12
  6. 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 .
  7. ^ аб Сард 1970, с. 78
  8. ^ Хокинг и Эллис 1973, с. 42

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки