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.
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
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.
пространственноподобным , если касательный вектор пространственноподобен во всех точках кривой.
причинно-следственная (или непространственноподобная ), 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 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
направлена в будущее , если для каждой точки кривой касательный вектор направлен в будущее.
направленным 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 времениподобная кривая — это замкнутая кривая, которая всюду направлена в будущее (или всюду направлена в прошлое).
Замкнутая нулевая кривая — это замкнутая кривая, которая всюду имеет нулевую точку, направленную в будущее (или всюду имеет нулевую точку, направленную в прошлое).
Голономия отношения скорости изменения аффинного параметра вокруг замкнутой нулевой геодезической — это фактор 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 (временная) 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 эквивалентно, и ).
Эти отношения удовлетворяют следующим свойствам:
подразумевает (это тривиально следует из определения) [5]
, подразумевает [5]
, подразумевает [5]
, , являются транзитивными . [5] не является транзитивным. [6]
Хронологическое будущее обозначается как множество всех точек в , которые хронологически предшествуют :
Хронологическое прошлое обозначается как множество всех точек в , которые хронологически предшествуют :
Мы аналогично определяем
Причинное будущее (также называемое абсолютным будущим ) , обозначаемое как множество всех точек в , которые причинно предшествуют :
Причинное прошлое (также называемое абсолютным прошлым ) обозначается как множество всех точек в , которые причинно предшествуют :
Будущий нулевой конус как множество всех точек в таких, что .
Прошлый нулевой конус как множество всех точек в таких, что .
Световой конус как нулевые конусы будущего и прошлого вместе. [7]
в других местах как точки, не находящиеся в световом конусе, каузальном будущем или каузальном прошлом. [7]
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.
Хронологическое будущее относительно , , является хронологическим будущим рассматриваемым как подмногообразие . Обратите внимание, что это совершенно иная концепция, нежели , которая дает множество точек, в которых могут быть достигнуты направленные в будущее времениподобные кривые, начиная с . В первом случае кривые должны лежать в , во втором случае они этого не делают. См. Хокинга и Эллиса.
Причинное будущее относительно , , является причинным будущим , рассматриваемым как подмногообразие . Обратите внимание, что это совершенно иная концепция, нежели , которая дает множество точек, в которых могут быть достигнуты направленные в будущее причинные кривые, начиная с . В первом случае кривые должны лежать в , во втором случае они этого не делают. См. Хокинга и Эллиса.
Множество будущего — это множество, замкнутое относительно хронологического будущего.
Множество прошедших событий — это множество, закрытое относительно хронологического прошлого.
Неразложимое прошедшее множество (IP) — это прошедшее множество, которое не является объединением двух различных открытых прошлых собственных подмножеств.
IP, который не совпадает с прошлым какой-либо точки, называется терминальным неразложимым прошлым множеством (TIP).
Правильное неразложимое прошедшее множество (PIP) — это IP, которое не является TIP. — правильное неразложимое прошедшее множество (PIP).
Будущее развитие Коши , это множество всех точек , для которых каждая направленная в прошлое нерасширяемая причинная кривая через пересекается по крайней мере один раз. Аналогично для прошлого развития Коши. Развитие Коши является объединением будущего и прошлого развития Коши. Развертки Коши важны для изучения детерминизма .
Подмножество является ахрональным, если не существует такого, что , или, что эквивалентно, если не пересекается с .
Поверхность Коши — это замкнутое ахрональное множество, развертка Коши которого имеет вид .
Метрика является глобально гиперболической , если ее можно разбить на поверхности Коши.
Множество , нарушающее хронологию, представляет собой множество точек, через которые проходят замкнутые времениподобные кривые.
Множество , нарушающее причинность, — это множество точек, через которые проходят замкнутые причинно-следственные кривые.
Граница множества, нарушающего причинность, — это горизонт Коши . Если горизонт Коши генерируется замкнутыми нулевыми геодезическими, то с каждой из них связан фактор красного смещения.
Для каузальной кривой каузальный ромб (здесь мы используем более свободное определение «кривой», где это просто набор точек) является точкой в каузальном прошлом . Другими словами: каузальный ромб мировой линии частицы — это набор всех событий, которые лежат как в прошлом некоторой точки в , так и в будущем некоторой точки в . В дискретной версии каузальный ромб — это набор всех каузальных путей, которые соединяются с .
Характеристики
См. Пенроуз (1972), стр. 13.
Точка находится в тогда и только тогда, когда находится в .
для всех подмножеств . Вот замыкание подмножества .
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.
Направленные в будущее временные геодезические линии заканчиваются на будущей временной бесконечности .
Направленные в прошлое времениподобные геодезические линии заканчиваются на прошлой времениподобной бесконечности .
Нулевые геодезические, направленные в будущее, заканчиваются на ℐ + , будущей нулевой бесконечности .
Нулевые геодезические, направленные в прошлое, заканчиваются на ℐ − , прошлой нулевой бесконечности .
Пространственноподобные геодезические заканчиваются на пространственноподобной бесконечности .
В различных пространствах:
Пространство Минковского : точки, ℐ ± — нулевые листы, а пространственноподобная бесконечность имеет коразмерность 2.
Антидеситтеровское пространство : не существует времениподобной или нулевой бесконечности, а пространственноподобная бесконечность имеет коразмерность 1.
Если геодезическая заканчивается после конечного аффинного параметра и невозможно расширить многообразие, чтобы продолжить геодезическую, то мы имеем сингулярность .
^ 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. .
^ Пенроуз 1972, стр. 15
^ 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.
^ abcdef Пенроуз 1972, стр. 12
^ 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 .
Хокинг, SW ; Израэль, W. (1979), Общая теория относительности, обзор столетия Эйнштейна , Cambridge University Press, ISBN 0-521-22285-0
Пенроуз, Р. (1972), Методы дифференциальной топологии в теории относительности , SIAM, ISBN 0898710057
Сард, РД (1970). Релятивистская механика - Специальная теория относительности и классическая динамика частиц . Нью-Йорк: WA Benjamin. ISBN 978-0805384918.
Дальнейшее чтение
GW Gibbons , SN Solodukhin; Геометрия малых причинных ромбов arXiv:hep-th/0703098 (Причинные интервалы)
SW Hawking , AR King, PJ McCarthy; Новая топология для искривленного пространства-времени, которая включает в себя причинные, дифференциальные и конформные структуры ; J. Math. Phys. 17 2:174-181 (1976); (Геометрия, причинная структура )
А. В. Левичев; Задание конформной геометрии лоренцева многообразия с помощью его причинной структуры ; Докл. АН СССР. 35:452-455, (1987); (Геометрия, Причинная структура )
Д. Маламент ; Класс непрерывных времениподобных кривых определяет топологию пространства-времени ; J. Math. Phys. 18 7:1399-1404 (1977); (Геометрия, Каузальная структура )
AA Robb ; Теория времени и пространства ; Cambridge University Press, 1914; (Геометрия, Каузальная структура )
AA Robb ; Абсолютные отношения времени и пространства ; Cambridge University Press, 1921; (Геометрия, Каузальная структура )
AA Робб ; Геометрия времени и пространства ; Издательство Кембриджского университета, 1936; (Геометрия, Каузальная структура )
RD Sorkin , E. Woolgar; Каузальный порядок для пространств-времен с лоренцевскими метриками C^0: доказательство компактности пространства причинных кривых ; Classical & Quantum Gravity 13: 1971-1994 (1996); arXiv:gr-qc/9508018 ( Каузальная структура )