stringtranslate.com

Причинно-следственная структура

В математической физике причинная структура лоренцева многообразия описывает причинно-следственные связи между точками многообразия.

Введение

В современной физике (особенно в общей теории относительности ) пространство-время представлено лоренцевским 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 . Обсуждения причинной структуры для таких многообразий должны быть сформулированы в терминах гладких кривых, соединяющих пары точек. Условия на касательных векторах кривых затем определяют причинные связи.

Касательные векторы

Подразделение пространства-времени Минковского относительно точки на четыре непересекающихся множества. Световой конус , каузальное будущее , каузальное прошлое и в других местах . Терминология определена в этой статье.

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

Здесь мы используем метрическую сигнатуру . Мы говорим, что касательный вектор не является пространственноподобным, если он нулевой или времениподобный.

Каноническое лоренцево многообразие — это пространство-время Минковского , где и — плоская метрика Минковского . Названия для касательных векторов берут начало в физике этой модели. Причинно-следственные связи между точками в пространстве-времени Минковского принимают особенно простую форму, поскольку касательное пространство также является и, следовательно, касательные векторы могут быть отождествлены с точками в пространстве. Четырехмерный вектор классифицируется в соответствии со знаком , где — декартова координата в трехмерном пространстве, — константа, представляющая универсальный предел скорости, и — время. Классификация любого вектора в пространстве будет одинаковой во всех системах отсчета, которые связаны преобразованием Лоренца (но не общим преобразованием Пуанкаре , поскольку начало координат может быть смещено) из-за инвариантности метрики.

Ориентируемость во времени

В каждой точке времениподобного касательного вектора в касательном пространстве точки можно разделить на два класса. Для этого сначала определим отношение эквивалентности на парах времениподобных касательных векторов.

Если и являются двумя времениподобными касательными векторами в точке, мы говорим, что и эквивалентны (пишется ), если .

Тогда есть два класса эквивалентности , которые между собой содержат все времениподобные касательные векторы в точке. Мы можем (произвольно) назвать один из этих классов эквивалентности направленным в будущее , а другой — направленным в прошлое . Физически это обозначение двух классов времениподобных векторов, направленных в будущее и прошлое, соответствует выбору стрелы времени в точке. Обозначения, направленные в будущее и прошлое, могут быть расширены до нулевых векторов в точке по непрерывности.

Лоренцево многообразие является ориентированным во времени [1], если для всего многообразия можно сделать непрерывное обозначение направленных в будущее и направленных в прошлое векторов.

Кривые

Путь в это непрерывное отображение , где — невырожденный интервал (т. е. связное множество, содержащее более одной точки) в . Гладкий путь дифференцируем соответствующее число раз (обычно ), а регулярный путь имеет неисчезающую производную.

Кривая в это образ пути или, точнее, класс эквивалентности образов путей, связанных повторной параметризацией, т. е. гомеоморфизмами или диффеоморфизмами . Когда является ориентируемым по времени, кривая ориентирована, если требуется, чтобы изменение параметра было монотонным .

Гладкие регулярные кривые (или пути) в 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 всеми пространствами-временами.

Если многообразие является ориентированным 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 в многообразии мы определяем [5]

Мы аналогично определяем

Точки, содержащиеся в , например, могут быть достигнуты из с помощью направленной в будущее времениподобной кривой. Точка может быть достигнута, например, из точек, содержащихся в с помощью направленной в будущее непространственноподобной кривой.

В пространстве-времени Минковского множество — это внутренняя часть будущего светового конуса в . Множество — это полный будущий световой конус в , включая сам конус.

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

Для подмножества мы определяем [ 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 действительной функции, называемой конформным множителем . (См. конформное отображение ).

Рассматривая 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 является времениподобным касательным вектором относительно метрики . Это означает, что . Тогда мы имеем, что является времениподобным касательным вектором относительно тоже.

Из этого следует, что причинная структура лоренцева многообразия не изменяется при конформном преобразовании .

Нулевая геодезическая остается нулевой геодезической при конформном масштабировании.

Конформная бесконечность

Бесконечная метрика допускает геодезические бесконечной длины/собственного времени. Однако иногда мы можем сделать конформное масштабирование метрики с конформным множителем, который достаточно быстро уменьшается до 0 по мере приближения к бесконечности, чтобы получить конформную границу многообразия. Топологическая структура конформной границы зависит от причинной структуры.

В различных пространствах:

Гравитационная сингулярность

Если геодезическая заканчивается после конечного аффинного параметра и невозможно расширить многообразие, чтобы продолжить геодезическую, то мы имеем сингулярность .

Абсолютный горизонт событий — это прошлый нулевой конус будущей времениподобной бесконечности. Он генерируется нулевыми геодезическими, которые подчиняются оптическому уравнению Райчаудхури .

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Хокинг и Израиль 1979, стр. 255
  2. ^ Гэллоуэй, Грегори Дж. «Заметки о лоренцевой причинности» (PDF) . Летняя школа ESI-EMS-IAMP по математической теории относительности . Университет Майами. стр. 4 . Получено 2 июля 2021 г. .
  3. ^ Пенроуз 1972, стр. 15
  4. ^ ab Papadopoulos, Kyriakos; Acharjee, Santanu; Papadopoulos, Basil K. (май 2018 г.). «Порядок на световом конусе и его индуцированная топология». International Journal of Geometric Methods in Modern Physics . 15 (5): 1850069–1851572. arXiv : 1710.05177 . Bibcode : 2018IJGMM..1550069P. doi : 10.1142/S021988781850069X. S2CID  119120311.
  5. ^ abcdef Пенроуз 1972, стр. 12
  6. ^ Stoica, OC (25 мая 2016 г.). «Пространственно-временная причинная структура и измерение из горизонтотической связи». Journal of Gravity . 2016 : 1–6. arXiv : 1504.03265 . doi : 10.1155/2016/6151726 .
  7. ^ ab Sard 1970, стр. 78
  8. ^ Хокинг и Эллис 1973, стр. 42

Ссылки

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки