Кіріспе

Уақыт-кеңістігіндегі әр түрлі нүктелер арасындағы себеп-салдарлық байланыстарды бейнелейтін екі өлшемді диаграмма – тензорлық диаграмма белгісі. Теориялық физикада Пенроуз диаграммасы (математикалық физик Роджер Пенроуздың есімімен аталады) – шексіздікке конформдық түрлендіру арқылы уақыт-кеңістігіндегі әр түрлі нүктелер арасындағы себеп-салдарлық байланыстарды бейнелейтін екі өлшемді диаграмма. Бұл, мысалы, жалпы салыстырмалылық теориясының қисық кеңістіктері үшін де қолайлы, арнайы салыстырмалылық теориясының Минковский диаграммасының кеңейтілген түрі болып табылады, онда тік өлшем уақытты, ал көлденең өлшем кеңістіктік өлшемді көрсетеді. Осы құрылымды пайдаланып, барлық жарық сәулелері 45° бұрышпен жүреді. Пенроуз диаграммасындағы метрика жергілікті түрде бейнеленген уақыт-кеңістігінің метрикасына конформдық түрде эквивалентті. Конформдық фактор бүкіл шексіз уақыт-кеңістігін шекті мөлшердегі Пенроуз диаграммасына түрлендіреді, мұнда шексіздік диаграмма шекарасында орналасады. Сфералық симметриялы уақыт-кеңістік үшін Пенроуз диаграммасындағы әрбір нүкте 2 өлшемді сфераға сәйкес келеді.

Негізгі қасиеттері

Пенроуз диаграммалары жергілікті асимптотикалық жазық кеңістік-уақыт үшін басқа кеңістік-уақыт диаграммаларының негізгі координаттық векторлық жүйесін бөліседі, бірақ алыс кеңістік-уақытты бейнелеу үшін қашықтықты қысқарту немесе "қырсу" жүйесін енгізеді, яғни қашықтығы артқан сайын оны кішірейтеді. Сондықтан тұрақты уақыт және тұрақты кеңістік координаттарының түзу сызықтары гиперболаларға айналады, олар диаграмманың бұрыштарындағы нүктелерде шоғырланғандай көрінеді. Бұл нүктелер мен шекаралар кеңістік-уақыттың конформдық шексіздігін көрсетеді, оны алғаш рет 1963 жылы Пенроуз енгізген. Пенроуз диаграммалары жиі емес болғанымен, Пенроуз-Картер диаграммалары (немесе Картер-Пенроуз диаграммалары) деп аталады, осы диаграммаларды алғаш қолданған Брэндон Картер мен Роджер Пенроузды еске алады. Оларды конформдық диаграммалар немесе жай ғана кеңістік-уақыт диаграммалары деп те атайды (бірақ соңғысы Минковский диаграммаларына қатысты болуы мүмкін). Егер нақты кеңістікте екі жарық сәулесі қиылысса ғана, диаграммада 45° бұрышпен салынған екі сызық қиылысуы керек. Сондықтан Пенроуз диаграммасын бақылауға қолжетімді кеңістік-уақыт аймақтарын көрнекті түрде көрсету үшін пайдалануға болады. Пенроуз диаграммасының диагональдық шекара сызықтары "нөлдік шексіздік" деп аталатын аймаққа немесе жарық сәулелерінің аяқталуы тиіс ерекшеліктерге сәйкес келеді. Осылайша, Пенроуз диаграммалары кеңістік-уақыттың және сингулярлықтардың асимптотикалық қасиеттерін зерттеуде де пайдалы. Координаттары бар шексіз статикалық Минковски ғаламы Пенроуз координаттарымен мынадай байланыста: Пенроуз диаграммасының бұрыштары, кеңістікке және уақытқа ұқсас конформдық шексіздікті білдіреді, координаталардың басынан қашықтықта орналасқан.

Қара тесіктер

Пенроуз диаграммалары қара тесіктерді қамтитын кеңістік-уақыттың себеп-салдарлық құрылымын көрсету үшін жиі қолданылады. Шварцшильд шешіміндегі сингулярлықтар, дәстүрлі кеңістік-уақыт диаграммаларындағы уақытқа ұқсас шекарадан өзгеше, кеңістікке ұқсас шекарамен белгіленеді. Бұл, қара тесіктің горизонті ішінде кеңістікке және уақытқа ұқсас координаттардың ауысуына байланысты (горизонт ішінде кеңістік бір бағытты, ал горизонт сыртында уақыт бір бағытты болады). Сингулярлық кеңістікке ұқсас шекарамен бейнеленеді, себебі объект горизонтты өткеннен кейін, тіпті қашуға тырысса да, сөзсіз сингулярлыққа шағылысады. Пенроуз диаграммалары көбінесе екі бөлек әлемді байланыстыратын Эйнштейн-Розен көпірін, максималды түрде кеңейтілген Шварцшильд қара тесігі шешімінде көрсету үшін қолданылады. Пенроуз диаграммаларының алдасты Крускаль-Шекерес диаграммалары болды. (Пенроуз диаграммасы Крускаль мен Шекерес диаграммасына тесіктен алыс жатқан жазық кеңістіктің аймақтарын конформдық түрде жиыруды қосады.) Бұл, оқиға горизонтін өткен және болашақ горизонттарды 45° бұрышпен бағыттау әдісін енгізді (Шварцшильд радиусынан жазық кеңістікке қайта өту үшін жарықтан жылдам қозғалу қажет болғандықтан); және сингулярлықты өткен және болашаққа бағытталған көлденең сызықтарға бөлу (себебі сингулярлық тесікке кіргеннен кейін болашаққа барлық жолдарды "кесіп тастайды"). Эйнштейн-Розен көпірі өте жылдам жабылады ("болашақ" сингулярлықтарды құрайды), сондықтан екі асимптотикалық тегіс сыртқы аймақтар арасындағы өту жарық жылдамдығынан асып түсуді талап етеді, демек, мүмкін емес. Сонымен қатар, күшті көккөк түске ие сәулелер ("көк парақ" деп аталады) ешкімнің өтуіне мүмкіндік бермейді. Максималды түрде кеңейтілген шешім жұлдыздың күйреуінен пайда болған әдеттегі қара тесікті сипаттамайды, себебі күйреген жұлдыздың беті өткенге бағытталған ақ тесіктің геометриясын және басқа әлемді қамтитын шешімнің бөлігін алмастырады. Статикалық қара тесіктің кеңістіктік өтуі мүмкін болмаса да, айналмалы және/немесе электрлік зарядталған қара тесіктерді бейнелейтін шешімдер үшін Пенроуз диаграммалары осы шешімдердің ішкі оқиға горизонттарын (болашақта орналасқан) және тік бағытталған сингулярлықтарды көрсетеді, бұл болашақ әлемдерге өтуге мүмкіндік беретін уақытқа ұқсас "құрт тесігін" ашады. Айналмалы тесік жағдайында, сонымен қатар, сақина тәрізді сингулярлық арқылы кіретін "теріс" әлем бар (диаграммада әлі де сызық ретінде бейнеленген), егер тесікке оның айналу осіне жақын кірсе, одан өтуге болады. Алайда, бұл шешімдердің ерекшеліктері бұзылыстар кезінде тұрақты емес және мұндай қара тесіктердің ішкі аймақтарының нақты сипаттамасы емес деп саналады; олардың ішкі құрылымының нақты сипаты әлі де ашық сұрақ болып қалады.