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.
the tensor diagram notation
In theoretical physics, a Penrose diagram (named after mathematical physicist Roger Penrose) is a two dimensional diagram capturing the causal relations between different points in spacetime through a conformal treatment of infinity. It is an extension (suitable for the curved spacetimes of e. g. general relativity) of the Minkowski diagram of special relativity where the vertical dimension represents time, and the horizontal dimension represents a space dimension. Using this design, all light rays take a 45° path Locally, the metric on a Penrose diagram is conformally equivalent to the metric of the spacetime depicted. The conformal factor is chosen such that the entire infinite spacetime is transformed into a Penrose diagram of finite size, with infinity on the boundary of the diagram. For spherically symmetric spacetimes, every point in the Penrose diagram corresponds to a 2 dimensional sphere .
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.
The corners of the Penrose diagram, which represent the spacelike and timelike conformal infinities, are from the origin.
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.