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.
various higher curvature theories and Kaluza–Klein theories, and certain gravitation theories of J. W. Moffat. Indeed, B. O. J. Tupper has shown that the common vacuum solutions in general relativity and in the Brans/Dicke theory are precisely the vacuum pp waves (but the Brans/Dicke theory admits further wavelike solutions). Hans Jürgen Schmidt has reformulated the theory of (four dimensional) pp waves in terms of a two dimensional metric dilaton theory of gravity. Pp waves also play an important role in the search for quantum gravity, because as Gary Gibbons has pointed out, all loop term quantum corrections vanish identically for any pp wave spacetime. This means that studying tree level quantizations of pp wave spacetimes offers a glimpse into the yet unknown world of quantum gravity. It is natural to generalize pp waves to higher dimensions, where they enjoy similar properties to those we have discussed. C. M. Hull has shown that such higher dimensional pp waves are essential building blocks for eleven dimensional supergravity.
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.
if you have two PP waves sharing the same covariantly constant null vector (the same geodesic null congruence, i. e. the same wave vector field), with metric functions respectively, then gives a third exact solution. Roger Penrose has observed that near a null geodesic, every Lorentzian spacetime looks like a plane wave. To show this, he used techniques imported from algebraic geometry to "blow up" the spacetime so that the given null geodesic becomes the covariantly constant null geodesic congruence of a plane wave. This construction is called a Penrose limit. Penrose also pointed out that in a pp wave spacetime, all the polynomial scalar invariants of the Riemann tensor vanish identically, yet the curvature is almost never zero. This is because in four dimension all pp waves belong to the class of VSI spacetimes. Such statement does not hold in higher dimensions since there are higher dimensional pp waves of algebraic type II with non vanishing polynomial scalar invariants. If you view the Riemann tensor as a second rank tensor acting on bivectors, the vanishing of invariants is analogous to the fact that a nonzero null vector has vanishing squared length. Penrose was also the first to understand the strange nature of causality in pp sandwich wave spacetimes. He showed that some or all of the null geodesics emitted at a given event will be refocused at a later event (or string of events). The details depend upon whether the wave is purely gravitational, purely electromagnetic, or neither. Every pp wave admits many different Brinkmann charts. These are related by coordinate transformations, which in this context may be considered to be gauge transformations. In the case of plane waves, these gauge transformations allow us to always regard two colliding plane waves to have parallel wavefronts, and thus the waves can be said to collide head on. This is an exact result in fully nonlinear general relativity which is analogous to a similar result concerning electromagnetic plane waves as treated in special relativity.