Кіріспе

Жалпы салыстырмалылық теориясында, pp толқыны кеңістік-уақыты, немесе қысқаша pp толқыны, Эйнштейннің өріс теңдеуінің нақты шешімдерінің маңызды тобы болып табылады. "pp" термині жазық фронтты, параллель таралатын толқындарды білдіреді және 1962 жылы Юрген Элерс пен Вольфганг Кундт есімдерімен енгізілді.

Басқа теориялармен байланысы

Олар нөлдік конгруэнция тұрғысынан анықталатын Лоренцтік көптүрліліктердің өте қарапайым және табиғи класын құрағандықтан, олардың басқа да салыстырмалылық классикалық гравитациялық өріс теорияларында маңызды болуы таңқаларлық емес. Атап айтқанда, pp толқындары Бранс-Дик теориясында, әр түрлі жоғары қисықтық теорияларында, Калуза-Клейн теорияларында және Дж. В. Моффаттың кейбір гравитациялық теорияларында нақты шешімдер болып табылады. Б. О. Ж. Теппер жалпы салыстырмалылық теориясындағы және Бранс/Дик теориясындағы жалпы вакуумдық шешімдердің дәл вакуумдық pp толқындары екенін көрсетті (бірақ Бранс/Дик теориясы одан әрі толқын тәрізді шешімдерді де қабылдайды). Ханс Юрген Шмидт (төрт өлшемді) pp толқындары теориясын екі өлшемді метрикалық дилатондық гравитация теориясы тұрғысынан қайта қарастырды. Pp толқындары кванттық гравитацияны іздеуде де маңызды рөл атқарады, өйткені Гари Гиббонс атап өткендей, кез келген pp толқыны кеңістігі үшін барлық циклдық кванттық түзетулер толығымен жоғалады. Бұл, pp толқыны кеңістік-уақытының ағаш деңгейіндегі квантталуын зерттеу, әлі күнге дейін белгісіз кванттық гравитация әлеміне үңілуге мүмкіндік береді. Pp толқындарын жоғары өлшемдерге жалпылау табиғи, онда олар біз талқылаған қасиеттерге ұқсас болады. К. М. Халл мұндай жоғары өлшемді pp толқындары он бір өлшемді супергравитация үшін маңызды құрылыс блоктары екенін көрсетті.

Геометриялық және физикалық қасиеттері

PP толқындары көптеген таңғаларлық қасиеттерге ие. Олардың кейбір абстрактілі математикалық қасиеттері туралы әріде айтылды. Бұл бөлімде бірнеше қосымша қасиеттер ұсынылады. Миңковский кеңістігіндегі инерциялық бақылаушы сэндвич жазық толқынымен кездеседі дейік. Мұндай бақылаушы қызықты оптикалық эффекттерді сезінеді. Егер ол толқынға тап болған алыс галактикалардың келе жатқан толқын фронтына қараса, олардың суреттерін бұрмаланбаған күйде көреді. Бұл міндетті түрде солай болуы керек, өйткені ол толқынның келе жатқанын оның орнына жеткенше біле алмайды, себебі ол жарық жылдамдығымен қозғалады. Дегенмен, бұл нөлдік конгруенцияның оптикалық скалярларын тікелей есептеу арқылы растауға болады. Енді, толқын өткеннен кейін, бақылаушымыз кері бұрылып, толқын әлі жетпеген алыс галактикаларға кететін толқын фронты арқылы қарайды дейік. Ол енді олардың оптикалық бейнелерін уақытқа байланысты түрде қисайтылған және ұлғайтылған (немесе кішірейтілген) күйде көреді. Егер толқын поляризацияланған гравитациялық жазық толқын болса, ол көлденеңнен қысылып, тік бойынан кеңейтілген дөңгелек бейнелерді, сондай-ақ тік бойынан қысылып, көлденеңнен кеңейтілген бейнелерді көреді. Бұл жалпы салыстырмалылық теориясындағы гравитациялық толқынның жарыққа тигізетін әсерін тікелей көрсетеді. Өтетін поляризацияланған гравитациялық жазық толқынының (бастапқыда тұрақты) сынақ бөлшектерінің бұлтының салыстырмалы орналасуына тигізетін әсері сапалық тұрғыдан өте ұқсас болады. Мұнда жалпы алғанда, pp толқыны кеңістігіндегі сынақ бөлшектерінің қозғалысы хаостық сипатқа ие болуы мүмкін екенін атап өткен жөн. Эйнштейннің өріс теңдеуінің сызықтық емес екені белгілі. Бұл егер екі нақты шешім болса, оларды сызықтық түрде қосудың мүмкін емес екенін білдіреді. PP толқындары осы ережеге сирек ерекшелік жасайды: егер сізде бірдей ковариантты тұрақты нөлдік векторды (бірдей геодезиялық нөлдік конгруенцияны, яғни бірдей толқын векторлық өрісті) бөлісетін екі PP толқыны болса, және олардың метрикалық функциялары сәйкесінше берілсе, онда үшінші нақты шешім табылады. Роджер Пенроуз нөлдік геодезияға жақын әрбір Лоренц кеңістігінің жазық толқынға ұқсайтынын байқаған. Мұны көрсету үшін ол алгебралық геометриядан алынған әдістерді қолданып, кеңістік-уақытты "жарып" берілген нөлдік геодезияны жазық толқынның ковариантты тұрақты нөлдік геодезиялық конгруенциясына айналдырды. Бұл құрылым Пенроуз лимиті деп аталады. Пенроуз сондай-ақ pp толқыны кеңістігінде Риман тензорының барлық полиномиалды скалярлық инварианттары толығымен жоғалатынын, бірақ қисықтық ешқашан нөлге тең болмайтынын көрсетті. Себебі төрт өлшемде барлық pp толқындары VSI кеңістік-уақыт класына жатады. Бұл мәлімдеме жоғары өлшемдерде орындалмайды, өйткені жоғары өлшемді pp толқындары алгебралық II типіне жатады және жоғаламайтын полиномиалды скалярлық инварианттарға ие. Егер Риман тензорын бивекторларға әсер ететін екінші ретті тензор ретінде қарастырсақ, инварианттардың жоғалуы нөлден өзгеше нөлдік вектордың квадраттық ұзындығының жоғалуына ұқсас. Пенроуз сонымен қатар pp сэндвич толқыны кеңістігіндегі себеп-салдарлық байланыстың ерекше табиғатын алғаш түсіндірді. Ол белгілі бір оқиғада шығарылған нөлдік геодезиялық сәулелердің кейбіреуі немесе барлығы кейінгі оқиғада (немесе оқиғалар тізбегінде) қайта фокусқа түсетінін көрсетті. Бұл толқынның таза гравитациялық, таза электромагниттік немесе екеуінің де араласуына байланысты. Әрбір pp толқыны көптеген түрлі Бринкман диаграммаларын қабылдайды. Бұлар координаталық түрлендірулермен байланысты, оларды осы контексте өлшеуіш түрлендірулер деп қарастыруға болады. Жазық толқындар жағдайында, бұл өлшеуіш түрлендірулер екі соқтығысқан жазық толқынның толқын фронттарын үнемі параллель деп қарауға мүмкіндік береді, сондықтан толқындар бетпе-бет соқтығысады деуге болады. Бұл толық сызықтық емес жалпы салыстырмалылық теориясындағы дәл нәтиже, ол арнайы салыстырмалылық теориясында қарастырылған электромагниттік жазық толқындарына қатысты ұқсас нәтижеге ұқсас.