Кіріспе

Жалпы салыстырмалылық теориясында нақты шешім – Эйнштейн өрісі теңдеулерінің шешімі, оның есептелуі ешқандай жеңілдету шарттарын қолданбайды, бірақ осы есептеудің бастапқы нүктесі материяның толық сфералық пішіні сияқты идеализирован жағдай болуы мүмкін. Математикалық тұрғыдан алғанда, нақты шешім табу – бұл сұйықтық сияқты қалыпты материяның күйін бейнелейтін тензорлық өрістермен жабдықталған Лоренцтік кеңістік немесе электромагниттік өріс сияқты классикалық беделсіз өрістерді табуды білдіреді.

Шешімдерді құру

Эйнштейннің өріс теңдеулері – байланысты, сызықтық емес дербес дифференциалдық теңдеулердің жүйесі. Жалпы алғанда, бұл оларды шешуді қиындатады. Дегенмен, нақты шешімдер алу үшін бірнеше тиімді әдістер белгіленген. Ең қарапайымы – метрикалық тензорға стационарлық (уақыт бойынша симметрия) немесе осьтік симметрия (кейбір симметрия осі бойынша айналу бойынша симметрия) сияқты симметриялық шарттарды қою. Мұндай шарттарды жеткілікті түрде тиімді қолданса, Эйнштейннің өріс теңдеуін әлдеқайда қарапайым теңдеулер жүйесіне, тіпті бір дербес дифференциалдық теңдеуге дейін (стационарлық осьтік симметриялы вакуумдық шешімдерде Эрнст теңдеуімен сипатталғанда) немесе дербес дифференциалдық теңдеулер жүйесіне (Шварцшильд вакуумының жағдайында) дейін келтіруге болады. Бұл қарапайым тәсіл әдетте координаттық негізден гөрі өріс негізін қолданғанда жақсы жұмыс істейді. Бұған байланысты идея – Вейль тензорына, Риччи тензорына немесе Риман тензорына алгебралық симметриялық шарттарды қою. Бұлар көбінесе Вейль тензорының мүмкін симметрияларының Петров жіктемесі немесе Риччи тензорының мүмкін симметрияларының Сегре жіктемесі тұрғысынан айтылады. Жоғарыда айтылғандардан көрініп тұрғанындай, мұндай тәсілдердің физикалық мазмұны болуы мүмкін, бірақ бұл олардың математикалық формасынан көрінбеуі мүмкін. Симметрияға қатысты осы екінші тәсіл көбінесе Ньюман-Пенроз формализмімен қолданылады, ол тиімді есеп жүргізу үшін спинориалдық шамаларды қолданады. Мұндай симметрияны азайтудан кейін де, теңдеулердің қысқартылған жүйесін шешу қиын болуы мүмкін. Мысалы, Эрнст теңдеуі – сызықтық емес Шредингер теңдеуіне (NLS) ұқсайтын сызықтық емес дербес дифференциалдық теңдеу. Бірақ Минковский кеңістігі-уақытындағы конформдық топ Максвелл теңдеулерінің симметрия тобы екенін еске түсірейік. Жылу теңдеуінің шешімдерін масштабтау тәсілін қолдану арқылы табуға болады. Бұл түсініктер Софус Лидің дербес дифференциалдық теңдеудің (немесе теңдеулер жүйесінің) нүктелік симметриясы туралы түсінігінің ерекше жағдайлары болып табылады және Ли көрсеткендей, бұл тривиалды емес симметрия тобы бар кез келген дербес дифференциалдық теңдеуге шабуыл жасаудың жолын қамтамасыз ете алады. Шындығында, Эрнст теңдеуі де, NLS де тривиалды емес симметрия топтарына ие, ал кейбір шешімдерді олардың симметрияларын пайдаланып табуға болады. Бұл симметрия топтары көбінесе шексіз өлшемді болады, бірақ бұл әрқашан пайдалы қасиет емес. Эмми Нетер Лидің симметрия туралы түсінігін сәл, бірақ терең жалпылаудың нәтижесінде шабуыл жасаудың одан да қуатты әдісі пайда болатынын көрсетті. Бұл кейбір теңдеулер толық интегралданады деп айтылған, олар сақталу заңдарының шексіз тізбесін пайдаланады деген жаңалықпен тығыз байланысты болып шығады. Қызықтысы, Эрнст теңдеуі де (нақты шешімдерді зерттеуде бірнеше жолмен пайда болады) және NLS толық интегралданатын болып шығады. Сондықтан олар солтион теориясында пайда болатын және толық интегралданатын сызықтық емес дербес дифференциалдық теңдеу – Кортевег де Фриес (KdV) теңдеуін шешу үшін бастапқыда әзірленген кері шашырау трансформациясына ұқсас әдістермен шешіледі. Өкінішке орай, бұл әдістердің көмегімен алынған шешімдер көбінесе қалағандай емес. Мысалы, KdV-нің бірнеше солтиондық шешімін бір солтиондық шешімнен (бұл Лидің нүктелік симметрия туралы түсінігінен кездеседі) алу тәсіліне ұқсас түрде, бірнеше Керр объектісі шешімін алуға болады, бірақ өкінішке орай, бұл оны физикалық тұрғыдан сенгісіз ететін кейбір ерекшеліктерге ие. Сондай-ақ, әр түрлі түрлендірулер (Белинский-Захаров түрлендіруін қараңыз) бар, олар (мысалы) басқа жолдармен табылған вакуумдық шешімдерді жаңа вакуумдық шешімге немесе электровакуумдық шешімге немесе сұйықтық шешіміне түрлендіре алады. Бұлар белгілі бір дербес дифференциалдық теңдеулер теориясынан белгілі Бэклунд түрлендірулеріне ұқсас, солтион теңдеулерінің кейбір танымал мысалдары бар. Бұл кездейсоқ емес, өйткені бұл құбылыс Нотер мен Лидің симметрия туралы түсініктерімен де байланысты. Өкінішке орай, тіпті "жақсы түсінілген", жалпыға бірдей қабылданатын шешімге қолданылғанда, бұл түрлендірулер көбінесе нашар түсінілетін шешімді береді және олардың жалпы түсінігі әлі белгісіз.

Шешімнің болуы

Еріткіштердің нақты шағын отбасыларын құрудың қиындығын ескере отырып, Эйнштейн өрісі теңдеуінің "жалпы" шешімі сияқты немесе вакуум өрісі теңдеуінің "жалпы" шешімі сияқты бірдеңе ұсыну, өте орынды тәсіл – барлық шешімдер үшін немесе кем дегенде барлық вакуумдық шешімдер үшін қолданылатын сапалық қасиеттерді табуға тырысу. Ең негізгі сұрақтардың бірі: шешімдер бар ма, және егер бар болса, қанша? Бастау үшін біз өріс теңдеуінің бастапқы шарттар бойынша формуласын қабылдауымыз керек, ол екі жаңа теңдеулер жүйесін береді – біреуі бастапқы деректерге шектеу қояды, ал екіншісі осы бастапқы деректерді шешімге айналдыру процедурасын береді. Содан кейін, басқа дифференциалдық теңдеулерді зерттеуде кездесетін идеялардан көп айырмашылығы жоқ идеяларды қолдана отырып, кем дегенде жергілікті түрде шешімдердің бар екенін дәлелдеуге болады. "Қанша" шешім күтілуге болады деген түсінік алу үшін біз Эйнштейннің шектеулерді санау әдісіне жүгіне аламыз. Осы стильдегі аргументтен шығатын әдеттегі қорытынды: Эйнштейн өрісі теңдеуінің жалпы вакуумдық шешімін үш айнымалының төрт ерікті функциясы және екі айнымалының алты ерікті функциясы арқылы анықтауға болады. Бұл функциялар бастапқы деректерді анықтайды, олардан бірегей вакуумдық шешім алуға болады. (Керісінше, Эрнст вакуумдары, барлық стационарлық осьтік симметриялық вакуумдық шешімдердің отбасы, екі айнымалының тек екі функциясын беру арқылы анықталады, бұл функциялар тіпті ерікті емес, екі байланысқан сызықты емес дербес дифференциалдық теңдеулер жүйесін қанағаттандыруы керек. Бұл нақты шешімдердің "үлкен" отбасы шын мәнінде қаншалықты кішкентай екенін түсінуге көмектеседі.) Алайда, бұл қарапайым талдау шешімдердің жаһандық бар болуы туралы әлдеқайда күрделі мәселені шешуге жеткіліксіз. Әзірге белгілі жаһандық бар болу нәтижелері басқа идеяны қамтиды.

Әлемдік тұрақтылық теоремалары

Біз белгілі бір оқшауланған массивті нысанның сыртындағы гравитациялық өрісті "шектен келген сәулеленуді жіберу арқылы" "бұзуды" көздеуге болады. Сәулелену кіріп келгенде және қоршаған өріспен әрекеттескенде не болады деген сұрақ туындайды. Классикалық бұзылыс теориясының тәсілі бойынша, біз Минковский вакуумынан (немесе де Ситтердің ламбдавакуумы сияқты басқа да өте қарапайым шешімнен) бастай аламыз, өте кішкентай метрикалық бұзылыстарды енгіземіз және қолайлы бұзылыс кеңеюі бойынша белгілі бір ретке дейінгі терминдерді ғана сақтаймыз – бұл кеңістік-уақытымыздың геометриясы үшін Тейлор қатарының бір түрін есептеуге ұқсас. Бұл тәсіл негізінен екілік пульсар сияқты гравитациялық жүйенің модельдерін құрастыруда қолданылатын пост-Ньютондық жуықтаулардың идеясы болып табылады. Дегенмен, бұзылыс кеңеюлері жалпы алғанда, сызықтық емес теңдеулер жағдайында ұзақ мерзімді өмір сүру және тұрақтылық мәселелеріне қатысты сенімді емес. Толық өріс теңдеуі жоғары сызықтық емес, сондықтан біз Минковский вакуумының кішкентай бұзылыстарға тұрақты екенін дәлелдегіміз келеді, олар толық сызықтық емес өріс теңдеуін қолдана отырып қарастырылады. Бұл көптеген жаңа идеяларды енгізуді қажет етеді. Мінковский вакуумының сызықтық емес тұрақтылығы деп аталатын қалаулы нәтиже, 1993 жылы ғана Деметриос Христодулу мен Сержиу Клайнерман дәлелдеді. Де Ситтердің ламбдавакуумының ламбдавакуумдық бұзылыстары (Хелмут Фридрих) және Минковский вакуумының электровакуумдық бұзылыстары (Нина Зипсер) үшін ұқсас нәтижелер белгілі. Керісінше, анти-де-Ситтер кеңістігі белгілі бір жағдайларда тұрақсыз болып табылады.

Оң энергия теоремасы

Бізді алаңдататын тағы бір мәселе – оң массалық энергия тығыздығының (және импульсінің) оқшауланған концентрациясының жалпы массалық энергиясы әрқашан жақсы анықталған (және теріс емес) жалпы массаны береді. Бұл нәтиже оң энергия теоремасы деп белгілі, оны 1979 жылы Ричард Шоэн мен Шинг Тунг Яу дәлелдеді, олар кернеу-энергия тензорының сипаты туралы қосымша техникалық талап қойды. Алғашқы дәлелдеме өте қиын; Эдвард Виттен көп ұзамай математиктер одан әрі өте қиын аргументтермен растаған, әлдеқайда қысқа "физиктердің дәлелін" ұсынды. Роджер Пенроуз және басқалар бастапқы оң энергия теоремасының түрлері үшін баламалы аргументтер келтірді.