Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
In general relativity, an exact solution is a solution of the Einstein field equations whose derivation does not invoke simplifying assumptions, though the starting point for that derivation may be an idealized case like a perfectly spherical shape of matter. Mathematically, finding an exact solution means finding a Lorentzian manifold equipped with tensor fields modeling states of ordinary matter, such as a fluid, or classical non gravitational fields such as the electromagnetic field.
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.
The Einstein field equations are a system of coupled, nonlinear partial differential equations. In general, this makes them hard to solve. Nonetheless, several effective techniques for obtaining exact solutions have been established. The simplest involves imposing symmetry conditions on the metric tensor, such as stationarity (symmetry under time translation) or axisymmetry (symmetry under rotation about some symmetry axis). With sufficiently clever assumptions of this sort, it is often possible to reduce the Einstein field equation to a much simpler system of equations, even a single partial differential equation (as happens in the case of stationary axisymmetric vacuum solutions, which are characterized by the Ernst equation) or a system of ordinary differential equations (as happens in the case of the Schwarzschild vacuum). This naive approach usually works best if one uses a frame field rather than a coordinate basis. A related idea involves imposing algebraic symmetry conditions on the Weyl tensor, Ricci tensor, or Riemann tensor. These are often stated in terms of the Petrov classification of the possible symmetries of the Weyl tensor, or the Segre classification of the possible symmetries of the Ricci tensor. As will be apparent from the discussion above, such Ansätze often do have some physical content, although this might not be apparent from their mathematical form. This second kind of symmetry approach has often been used with the Newman–Penrose formalism, which uses spinorial quantities for more efficient bookkeeping. Even after such symmetry reductions, the reduced system of equations is often difficult to solve. For example, the Ernst equation is a nonlinear partial differential equation somewhat resembling the nonlinear Schrödinger equation (NLS). But recall that the conformal group on Minkowski spacetime is the symmetry group of the Maxwell equations. Recall too that solutions of the heat equation can be found by assuming a scaling Ansatz. These notions are merely special cases of Sophus Lie's notion of the point symmetry of a differential equation (or system of equations), and as Lie showed, this can provide an avenue of attack upon any differential equation which has a nontrivial symmetry group. Indeed, both the Ernst equation and the NLS have nontrivial symmetry groups, and some solutions can be found by taking advantage of their symmetries. These symmetry groups are often infinite dimensional, but this is not always a useful feature. Emmy Noether showed that a slight but profound generalization of Lie's notion of symmetry can result in an even more powerful method of attack. This turns out to be closely related to the discovery that some equations, which are said to be completely integrable, enjoy an infinite sequence of conservation laws. Quite remarkably, both the Ernst equation (which arises several ways in the studies of exact solutions) and the NLS turn out to be completely integrable. They are therefore susceptible to solution by techniques resembling the inverse scattering transform which was originally developed to solve the Korteweg de Vries (KdV) equation, a nonlinear partial differential equation which arises in the theory of solitons, and which is also completely integrable. Unfortunately, the solutions obtained by these methods are often not as nice as one would like. For example, in a manner analogous to the way that one obtains a multiple soliton solution of the KdV from the single soliton solution (which can be found from Lie's notion of point symmetry), one can obtain a multiple Kerr object solution, but unfortunately, this has some features which make it physically implausible. There are also various transformations (see Belinski Zakharov transform) which can transform (for example) a vacuum solution found by other means into a new vacuum solution, or into an electrovacuum solution, or a fluid solution. These are analogous to the Bäcklund transformations known from the theory of certain partial differential equations, including some famous examples of soliton equations. This is no coincidence, since this phenomenon is also related to the notions of Noether and Lie regarding symmetry. Unfortunately, even when applied to a "well understood", globally admissible solution, these transformations often yield a solution which is poorly understood and their general interpretation is still unknown.
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.
Given the difficulty of constructing explicit small families of solutions, much less presenting something like a "general" solution to the Einstein field equation, or even a "general" solution to the vacuum field equation, a very reasonable approach is to try to find qualitative properties which hold for all solutions, or at least for all vacuum solutions. One of the most basic questions one can ask is: do solutions exist, and if so, how many? To get started, we should adopt a suitable initial value formulation of the field equation, which gives two new systems of equations, one giving a constraint on the initial data, and the other giving a procedure for evolving this initial data into a solution. Then, one can prove that solutions exist at least locally, using ideas not terribly dissimilar from those encountered in studying other differential equations. To get some idea of "how many" solutions we might optimistically expect, we can appeal to Einstein's constraint counting method. A typical conclusion from this style of argument is that a generic vacuum solution to the Einstein field equation can be specified by giving four arbitrary functions of three variables and six arbitrary functions of two variables. These functions specify initial data, from which a unique vacuum solution can be evolved. (In contrast, the Ernst vacuums, the family of all stationary axisymmetric vacuum solutions, are specified by giving just two functions of two variables, which are not even arbitrary, but must satisfy a system of two coupled nonlinear partial differential equations. This may give some idea of how just tiny a typical "large" family of exact solutions really is, in the grand scheme of things.) However, this crude analysis falls far short of the much more difficult question of global existence of solutions. The global existence results which are known so far turn out to involve another idea.
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.
We can imagine "disturbing" the gravitational field outside some isolated massive object by "sending in some radiation from infinity". We can ask: what happens as the incoming radiation interacts with the ambient field? In the approach of classical perturbation theory, we can start with Minkowski vacuum (or another very simple solution, such as the de Sitter lambdavacuum), introduce very small metric perturbations, and retain only terms up to some order in a suitable perturbation expansion—somewhat like evaluating a kind of Taylor series for the geometry of our spacetime. This approach is essentially the idea behind the post Newtonian approximations used in constructing models of a gravitating system such as a binary pulsar. However, perturbation expansions are generally not reliable for questions of long term existence and stability, in the case of nonlinear equations. The full field equation is highly nonlinear, so we really want to prove that the Minkowski vacuum is stable under small perturbations which are treated using the fully nonlinear field equation. This requires the introduction of many new ideas. The desired result, sometimes expressed by the slogan that the Minkowski vacuum is nonlinearly stable, was finally proven by Demetrios Christodoulou and Sergiu Klainerman only in 1993. Analogous results are known for lambdavac perturbations of the de Sitter lambdavacuum (Helmut Friedrich) and for electrovacuum perturbations of the Minkowski vacuum (Nina Zipser). In contrast, anti de Sitter spacetime is known to be unstable under certain conditions.
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.
Another issue we might worry about is whether the net mass energy of an isolated concentration of positive mass energy density (and momentum) always yields a well defined (and non negative) net mass. This result, known as the positive energy theorem was finally proven by Richard Schoen and Shing Tung Yau in 1979, who made an additional technical assumption about the nature of the stress–energy tensor. The original proof is very difficult; Edward Witten soon presented a much shorter "physicist's proof", which has been justified by mathematicians—using further very difficult arguments. Roger Penrose and others have also offered alternative arguments for variants of the original positive energy theorem.