Введение

Двумерная диаграмма, отображающая причинно-следственные связи между различными точками пространства-времени, нотация тензорных диаграмм. В теоретической физике диаграмма Пенроуза (названная в честь математического физика Роджера Пенроуза) – это двумерная диаграмма, отображающая причинно-следственные связи между различными точками пространства-времени посредством конформного преобразования бесконечности. Она является расширением (подходящим для искривленных пространств-времени, например, в общей теории относительности) диаграммы Минковского специальной теории относительности, где вертикальная ось представляет время, а горизонтальная – пространственное измерение. Благодаря такой конструкции, все световые лучи изображаются под углом 45°. Локально метрика на диаграмме Пенроуза конформно эквивалентна метрике изображенного пространства-времени. Конформный фактор выбирается таким образом, чтобы всё бесконечное пространство-время было отображено на диаграмму Пенроуза конечного размера, с бесконечностью на границе диаграммы. Для сферически симметричного пространства-времени каждая точка на диаграмме Пенроуза соответствует двумерной сфере.

Основные свойства

Хотя диаграммы Пенроуза используют ту же базовую координатную векторную систему, что и другие диаграммы пространства-времени для локально асимптотически плоского пространства-времени, они вводят способ представления удалённых областей пространства-времени путём сжатия или "схлопывания" расстояний до более далёких точек. Прямые линии постоянного времени и прямые линии постоянных пространственных координат, таким образом, становятся гиперболами, которые кажутся сходящимися в точках в углах диаграммы. Эти точки и границы представляют собой конформную бесконечность пространства-времени, впервые введённую Пенроузом в 1963 году. Диаграммы Пенроуза более корректно (но реже) называются диаграммами Пенроуза — Картера (или Картера — Пенроуза), в знак признания вклада Брэндона Картера и Роджера Пенроуза, которые первыми начали их использовать. Их также называют конформными диаграммами или просто диаграммами пространства-времени (хотя последнее может относиться к диаграммам Минковского). Две линии, проведённые под углом 45°, должны пересекаться на диаграмме только в том случае, если соответствующие два световых луча пересекаются в фактическом пространстве-времени. Следовательно, диаграмма Пенроуза может служить наглядной иллюстрацией областей пространства-времени, доступных для наблюдения. Диагональные границы диаграммы Пенроуза соответствуют области, называемой "нулевой бесконечностью", или сингулярностям, в которых световые лучи должны обрываться. Таким образом, диаграммы Пенроуза также полезны при изучении асимптотических свойств пространства-времени и сингулярностей. Бесконечная статическая вселенная Минковского, координаты связаны с координатами Пенроуза: Углы диаграммы Пенроуза, представляющие пространственную и временную конформные бесконечности, находятся на расстоянии от начала координат.

Черные дыры

Диаграммы Пенроуза часто используются для иллюстрации причинной структуры пространства-времени, содержащего черные дыры. Сингулярности в решении Шварцшильда обозначаются пространственно-подобной границей, в отличие от времени-подобной границы, встречающейся на обычных диаграммах пространства-времени. Это связано с обменом ролями времени-подобных и пространственно-подобных координат внутри горизонта черной дыры (поскольку пространство однонаправленно внутри горизонта, подобно тому, как время однонаправленно снаружи горизонта). Сингулярность представляется пространственно-подобной границей, чтобы подчеркнуть, что как только объект пересечет горизонт, он неизбежно достигнет сингулярности, даже если попытается уклониться. Диаграммы Пенроуза часто используются для иллюстрации гипотетического моста Эйнштейна — Розена, соединяющего две отдельные вселенные в максимально расширенном решении черной дыры Шварцшильда. Предшественниками диаграмм Пенроуза были диаграммы Крускала — Секереша. (Диаграмма Пенроуза добавляет к диаграмме Крускала и Секереша конформное сжатие областей плоского пространства-времени, удаленных от дыры.) Они ввели метод выравнивания горизонта событий в виде прошлого и будущего горизонтов, ориентированных под углом 45° (поскольку для перехода из радиуса Шварцшильда обратно в плоское пространство-время потребовалось бы двигаться быстрее света); и разделение сингулярности на прошлое и будущее горизонтально ориентированные линии (поскольку сингулярность "отсекает" все пути в будущее, как только объект входит в дыру). Мост Эйнштейна — Розена быстро закрывается (образуя "будущие" сингулярности), так что прохождение между двумя асимптотически плоскими внешними областями потребовало бы скорости, превышающей скорость света, и поэтому невозможно. Кроме того, сильно сдвинутые в синюю сторону лучи света (так называемый "синий лист") делают прохождение через них невозможным. Максимально расширенное решение не описывает типичную черную дыру, образованную в результате коллапса звезды, поскольку поверхность коллапсирующей звезды заменяет сектор решения, содержащий геометрию ориентированной в прошлое белой дыры и другую вселенную. Хотя базовое пространственно-подобное прохождение сквозь статическую черную дыру невозможно, диаграммы Пенроуза для решений, представляющих вращающиеся и/или электрически заряженные черные дыры, иллюстрируют внутренние горизонты событий этих решений (лежащие в будущем) и вертикально ориентированные сингулярности, которые открывают так называемую времени-подобную "червоточину", позволяющую прохождение в будущие вселенные. В случае вращающейся дыры существует также "отрицательная" вселенная, в которую можно войти через сингулярность в форме кольца (все еще изображенную как линия на диаграмме), которую можно пересечь, войдя в дыру близко к ее оси вращения. Однако эти особенности решения нестабильны при возмущениях и не считаются реалистичным описанием внутренних областей таких черных дыр; истинная природа их внутреннего строения остается открытым вопросом.