Введение

В общей теории относительности точным решением называется решение уравнений Эйнштейна, полученное без использования упрощающих предположений, хотя исходной точкой для его вывода может служить идеализированный случай, например, идеально сферическая форма материи. Математически, нахождение точного решения означает определение лоренцева многообразия, снабженного тензорными полями, описывающими состояния обычной материи, например, жидкости, или классических негравитационных полей, таких как электромагнитное поле.

Создание решений

Уравнения Эйнштейна поля — это система связанных, нелинейных частных дифференциальных уравнений. В общем случае это затрудняет их решение. Тем не менее, было разработано несколько эффективных методов получения точных решений. Самый простой из них заключается в наложении условий симметрии на метрический тензор, таких как стационарность (симметрия относительно переноса во времени) или осевая симметрия (симметрия относительно вращения вокруг некоторой оси симметрии). При достаточно удачных предположениях такого рода часто можно свести уравнение поля Эйнштейна к гораздо более простой системе уравнений, даже к одному частному дифференциальному уравнению (как это происходит в случае стационарных осесимметричных вакуумных решений, которые характеризуются уравнением Эрнста) или к системе обыкновенных дифференциальных уравнений (как это происходит в случае вакуума Шварцшильда). Этот наивный подход обычно наиболее эффективен при использовании поля фрейма, а не координатного базиса. Связанная идея заключается в наложении условий алгебраической симметрии на тензор Вейля, тензор Риччи или тензор Римана. Эти условия часто формулируются в терминах классификации Петрова возможных симметрий тензора Вейля или классификации Сегре возможных симметрий тензора Риччи. Как следует из вышеизложенного, такие подходы (Ansätze) часто имеют определенный физический смысл, хотя это может быть не очевидно из их математической формы. Этот второй тип подхода к симметриям часто используется совместно с формализмом Ньюмана — Пенроуза, который использует спинорные величины для более эффективного учета. Даже после таких симметричных упрощений, результирующую систему уравнений часто трудно решить. Например, уравнение Эрнста является нелинейным частным дифференциальным уравнением, в некоторой степени напоминающим нелинейное уравнение Шрёдингера (NLS). Но вспомните, что конформная группа в пространстве Минковского является группой симметрии уравнений Максвелла. Вспомните также, что решения уравнения теплопроводности можно найти, предполагая масштабируемый Ansatz. Эти представления являются лишь частными случаями понятия Софуса Ли о точечной симметрии дифференциального уравнения (или системы уравнений), и, как показал Ли, это может предоставить путь решения любого дифференциального уравнения, обладающего нетривиальной группой симметрии. Действительно, уравнение Эрнста и NLS имеют нетривиальные группы симметрии, и некоторые решения можно найти, используя их симметрии. Эти группы симметрии часто бесконечномерны, но это не всегда полезное свойство. Эмми Нетер показала, что небольшое, но глубокое обобщение понятия симметрии Ли может привести к еще более мощному методу решения. Оказалось, что это тесно связано с открытием, что некоторые уравнения, которые называются полностью интегрируемыми, обладают бесконечной последовательностью законов сохранения. Примечательно, что уравнение Эрнста (которое возникает различными способами при изучении точных решений) и NLS оказываются полностью интегрируемыми. Следовательно, они поддаются решению методами, напоминающими обратное преобразование рассеяния, которое первоначально было разработано для решения уравнения Кортевега — де Фриса (KdV), нелинейного частного дифференциального уравнения, возникающего в теории солитонов, которое также полностью интегрируемо. К сожалению, решения, полученные этими методами, часто не так хороши, как хотелось бы. Например, аналогично тому, как можно получить решение с несколькими солитонами KdV из решения с одним солитоном (которое можно найти, используя понятие точечной симметрии Ли), можно получить решение с несколькими объектами Керра, но, к сожалению, оно обладает некоторыми особенностями, которые делают его физически маловероятным. Существуют также различные преобразования (см. преобразование Белинского — Захарова), которые могут преобразовать (например) вакуумное решение, найденное другими способами, в новое вакуумное решение, в электровакуумное решение или в решение для жидкости. Они аналогичны преобразованиям Бэклунда, известным из теории некоторых частных дифференциальных уравнений, включая некоторые известные примеры уравнений солитонов. Это не совпадение, поскольку это явление также связано с понятиями Нетер и Ли относительно симметрии. К сожалению, даже при применении к "хорошо изученному" глобально допустимому решению, эти преобразования часто приводят к решению, которое плохо изучено, и их общая интерпретация до сих пор неизвестна.

Существование решений

Учитывая сложность построения явных небольших семей решений, а тем более представления чего-то вроде "общего" решения уравнения поля Эйнштейна или даже "общего" решения уравнения поля вакуума, весьма разумным подходом является попытка найти качественные свойства, которые выполняются для всех решений, или, по крайней мере, для всех вакуумных решений. Один из самых фундаментальных вопросов, который можно задать: существуют ли решения, и если да, то сколько? Для начала следует принять подходящую формулировку начальных условий для уравнения поля, которая приводит к двум новым системам уравнений: одна накладывает ограничения на начальные данные, а другая предоставляет процедуру эволюции этих начальных данных в решение. Затем можно доказать, что решения существуют, по крайней мере, локально, используя идеи, не сильно отличающиеся от тех, что встречаются при изучении других дифференциальных уравнений. Чтобы получить представление о том, "сколько" решений мы можем оптимистично ожидать, можно обратиться к методу подсчета ограничений Эйнштейна. Типичный вывод из подобных рассуждений заключается в том, что общее вакуумное решение уравнения поля Эйнштейна может быть задано четырьмя произвольными функциями трех переменных и шестью произвольными функциями двух переменных. Эти функции определяют начальные данные, из которых можно получить единственное вакуумное решение. (В отличие от вакуумов Эрнста, семейства всех стационарных осесимметричных вакуумных решений, которые задаются лишь двумя функциями двух переменных, которые при этом не являются произвольными, а должны удовлетворять системе двух связанных нелинейных частных дифференциальных уравнений. Это может дать представление о том, насколько скромным может быть типичное "большое" семейство точных решений в общем случае.) Однако этот упрощенный анализ далёк от гораздо более сложного вопроса о глобальном существовании решений. Известные на данный момент результаты о глобальном существовании опираются на другую идею.

Теоремы глобальной стабильности

Мы можем представить, что "возмущаем" гравитационное поле вне какого-то изолированного массивного объекта, "направляя в него некоторое излучение из бесконечности". Мы можем спросить: что происходит при взаимодействии входящего излучения с окружающим полем? В рамках классической теории возмущений мы можем начать с вакуума Минковского (или другого очень простого решения, такого как ламбдавакуум де Ситтера), ввести очень малые метрические возмущения и сохранить только члены до определенного порядка в подходящем разложении по возмущениям – как будто вычисляем своего рода ряд Тейлора для геометрии нашего пространства-времени. Этот подход лежит в основе пост-ньютоновских приближений, используемых при построении моделей гравитационной системы, такой как двойная пульсарная система. Однако разложения по возмущениям, как правило, ненадёжны при рассмотрении вопросов долгосрочного существования и стабильности в случае нелинейных уравнений. Полное уравнение поля сильно нелинейно, поэтому нам действительно необходимо доказать, что вакуум Минковского стабилен при малых возмущениях, рассматриваемых с использованием полностью нелинейного уравнения поля. Это требует введения множества новых идей. Желаемый результат, иногда выражаемый лозунгом о нелинейной стабильности вакуума Минковского, был окончательно доказан Деметриосом Христодулу и Сержиу Клайнерманом лишь в 1993 году. Аналогичные результаты известны для ламбдавакуумных возмущений ламбдавакуума де Ситтера (Хелмут Фридрих) и для электровакуумных возмущений вакуума Минковского (Нина Зипсер). В отличие от этого, пространство-время анти-де-Ситтера известно как нестабильное при определенных условиях.

Теорема о положительной энергии

Другой вопрос, который может вызывать опасения, заключается в том, всегда ли суммарная масса-энергия изолированной концентрации положительной плотности энергии (и импульса) дает однозначно определенную (и неотрицательную) суммарную массу. Этот результат, известный как теорема о положительной энергии, был окончательно доказан Ричардом Шоуном и Шинг Тун Яу в 1979 году, при этом они сделали дополнительное техническое предположение относительно природы тензора энергии-импульса. Изначальное доказательство очень сложно; вскоре после этого Эдвард Виттен представил гораздо более короткое "физическое доказательство", которое было математически обосновано с использованием дальнейших, весьма сложных аргументов. Роджер Пенроуз и другие также предложили альтернативные доказательства для различных вариантов исходной теоремы о положительной энергии.