Введение
В общей теории относительности, конгруэнция (более точно, конгруэнция кривых) — это множество интегральных кривых повсюду ненулевого векторного поля в четырехмерном лоренцевом многообразии, которое физически интерпретируется как модель пространства-времени. Часто рассматриваемое многообразие является точным или приближенным решением уравнения Эйнштейна.
Типы совпадений
Конгруэнции, генерируемые нигде не исчезающими темпоподобными, нулевыми или пространственноподобными векторными полями, называются соответственно темпоподобными, нулевыми или пространственноподобными. Конгруэнция называется геодезической, если она допускает тангентное векторное поле с нулевой ковариантной производной, .
Связь с векторными полями
Интегральные кривые векторного поля — это семейство непересекающихся параметризованных кривых, заполняющих пространство-время. Конгруэнтность состоит из самих кривых, без привязки к конкретной параметризации. Различные векторные поля могут порождать одну и ту же конгруэнтность кривых, поскольку если φ — нигде не обращающаяся в ноль скалярная функция, то V и φV порождают одну и ту же конгруэнтность. Однако в лоренцевом многообразии существует метрический тензор, который выделяет предпочтительное векторное поле среди векторных полей, повсюду параллельных заданному времениподобному или пространственноподобному векторному полю, а именно поле тангентных векторов к этим кривым. Это, соответственно, времениподобные или пространственноподобные единичные векторные поля.
Физическая интерпретация
В общей теории относительности временная конгруэнтность в четырехмерном лоренцевом многообразии может быть интерпретирована как семейство мировых линий определенных идеальных наблюдателей в нашем пространстве-времени. В частности, временная геодезическая конгруэнтность может быть интерпретирована как семейство свободно падающих пробных частиц. Нулевые конгруэнции также важны, особенно нулевые геодезические конгруэнции, которые могут быть интерпретированы как семейство свободно распространяющихся световых лучей. Предупреждение: мировая линия импульса света, движущегося в волоконно-оптическом кабеле, как правило, не будет являться нулевой геодезической, и свет в очень ранней Вселенной (эпоха доминирования излучения) не распространялся свободно. Однако мировая линия радиолокационного импульса, отправленного с Земли в направлении Венеры, мимо Солнца, будет моделироваться как дуга нулевой геодезической. В пространствах-временах размерности, отличной от четырех, связь между нулевыми геодезическими и "светом" теряет силу: если "свет" определяется как решение волнового уравнения Лапласа, то пропагатор имеет как нулевые, так и временные компоненты в нечетных пространствах-временах и перестает быть чистой дельта-функцией Дирака в четных пространствах-временах размерности больше четырех.
Кинематическое описание
Описание взаимного движения пробных частиц в нулевой геодезической конгруэнции в пространстве-времени, таком как вакуум Шварцшильда или пыль FRW, является важной задачей в общей теории относительности. Она решается путем определения определенных кинематических величин, которые полностью описывают, как интегральные кривые в конгруэнции могут сходиться (расходиться) или закручиваться относительно друг друга. Важно подчеркнуть, что кинематическое разложение, которое мы собираемся описать, представляет собой чистую математику, справедливую для любого лоренцева многообразия. Однако физическая интерпретация в терминах пробных частиц и приливных ускорений (для пространственно-подобных геодезических конгруэнций) или пучков световых лучей (для нулевых геодезических конгруэнций) имеет смысл только в рамках общей теории относительности (аналогичные интерпретации могут быть применимы и в близких по духу теориях).