Ijobiy energiya teoremasi - Positive energy theorem

The ijobiy energiya teoremasi (shuningdek,. nomi bilan ham tanilgan ijobiy massa teoremasi) asosidagi natijalar to'plamiga ishora qiladi umumiy nisbiylik va differentsial geometriya. Uning standart shakli, keng ma'noda, izolyatsiya qilingan tizimning tortishish energiyasi manfiy emasligini va tizimda tortishish ob'ekti bo'lmagandagina nolga teng bo'lishi mumkinligini ta'kidlaydi. Ushbu bayonotlar ko'pincha asosan jismoniy tabiat deb o'ylansa ham, ular rasmiylashtirilishi mumkin matematik teoremalar texnikasi yordamida isbotlanishi mumkin differentsial geometriya, qisman differentsial tenglamalar va geometrik o'lchov nazariyasi.

Richard Shoen va Shing-Tung Yau, 1979 va 1981 yillarda birinchi bo'lib musbat massa teoremasini isbotladi. Edvard Vitten, 1982 yilda muqobil dalilni keltirdi, keyinchalik matematiklar tomonidan qat'iy ravishda to'ldirildi. Vitten va Yauga mukofotlar topshirildi Maydon medali matematikada qisman ushbu mavzu bo'yicha qilgan ishlari uchun.

Schoen-Yau / Witten ijobiy energiya teoremasining noaniq formulasi quyidagilarni ta'kidlaydi:

Asimptotik ravishda tekis boshlang'ich ma'lumotlar to'plamini hisobga olgan holda, har bir cheksiz mintaqaning energiya momentumini Minkovskiy maydoni. Dastlabki ma'lumotlar to'plami bo'lishi sharti bilan geodezik jihatdan to'liq va qondiradi dominant energiya holati, har bir element shunday bo'lishi kerak sababchi kelajak kelib chiqishi Agar biron bir cheksiz mintaqa null energiya momentumiga ega bo'lsa, unda dastlabki ma'lumotlar to'plami Minkovskiy makoniga geometrik tarzda joylashtirilishi mumkinligi sababli ahamiyatsiz bo'ladi.

Ushbu atamalarning ma'nosi quyida muhokama qilinadi. Energiya-momentumning turli xil tushunchalari uchun va boshlang'ich ma'lumotlar to'plamining turli sinflari uchun muqobil va ekvivalent bo'lmagan formulalar mavjud. Ushbu formulalarning barchasi qat'iyan isbotlanmagan va hozirda bu ochiq muammo yuqorida keltirilgan formulaning o'zboshimchalik o'lchovining dastlabki ma'lumot to'plamlari uchun amal qilishi.

Umumiy nuqtai

Uchun teoremaning asl isboti ADM massasi tomonidan taqdim etilgan Richard Shoen va Shing-Tung Yau 1979 yilda foydalanish variatsion usullar va minimal yuzalar. Edvard Vitten dan foydalanish asosida 1981 yilda yana bir dalil keltirdi spinorlar, kontekstidagi ijobiy energiya teoremalaridan ilhomlangan supergravitatsiya. Teoremasining kengaytmasi Bondi massasi tomonidan berilgan Lyudvigsen va Jeyms Vikers, Gari Horovits va Malkolm Perri va Shoen va Yau.

Gari Gibbons, Stiven Xoking, Horovits va Perri teoremaning kengaytirilganligini asimptotik ravishda isbotladilar anti-de Sitter kosmik vaqtlari va ga Eynshteyn-Maksvell nazariyasi. Asimptotik ravishda anti-de Sitter vaqtining massasi manfiy emas va anti-de Sitter uchun faqat nolga teng. Eynshteyn-Maksvell nazariyasida elektr zaryadi va magnit zaryad , bo'sh vaqt massasi qondiradi (ichida Gauss birliklari )

uchun tenglik bilan MajumdarPapapetrou ekstremal qora tuynuk echimlar.

Dastlabki ma'lumotlar to'plamlari

An dastlabki ma'lumotlar to'plami dan iborat Riemann manifoldu (M, g) va nosimmetrik 2-tensorli maydon k kuni M. Ulardan biri dastlabki ma'lumotlar to'plami deb aytadi (M, g, k):

  • bu vaqt nosimmetrik agar k nolga teng
  • bu maksimal agar trgk = 0 [1]
  • qondiradi dominant energiya holati agar
qayerda Rg belgisini bildiradi skalar egriligi ning g.[2]

Vaqt-nosimmetrik dastlabki ma'lumotlar to'plami ekanligini unutmang (M, g, 0) ning skalyar egriligi bo'lsa, dominant energiya holatini qondiradi g salbiy emas. Ulardan biri Lorentsiya ko'p qirrali ekanligini aytadi (M, g) a rivojlanish dastlabki ma'lumotlar to'plamining (M, g, k) agar (kerak bo'lsa, bo'shliqqa o'xshash) giper sirtni joylashtirish M ichiga M, doimiy vektor normal vektor maydoni bilan birga, induktsiya qilingan metrik g va berilgan normalga nisbatan ikkinchi asosiy shakl k.

Ushbu ta'rifga asoslanadi Lorentsiya geometriyasi. Lorentsiya kollektori berilgan (M, g) o'lchov n + 1 va kosmosga o'xshash suvga cho'mish f ulanganidan n- o'lchovli ko'p qirrali M ichiga M ahamiyatsiz oddiy to'plamga ega bo'lsa, indüklenen Riemann metrikasini ko'rib chiqish mumkin g = f *g shuningdek ikkinchi asosiy shakl k ning f uzluksiz birlik normal vektor maydonining ikkita tanlovidan biriga nisbatan f. Uchlik (M, g, k) dastlabki ma'lumotlar to'plamidir. Ga ko'ra Gauss-Kodassi tenglamalari, bitta bor

qayerda G belgisini bildiradi Eynshteyn tensori Rikg - 1/2Rgg ning g va ν uzluksiz birlik normal vektor maydonini bildiradi f aniqlash uchun ishlatiladi k. Shunday qilib, yuqorida keltirilgan dominant energiya holati, ushbu Lorentsiya kontekstida, bu tasdiq bilan bir xil G(ν, ⋅), birga vektor maydoni sifatida qaralganda f, vaqtga o'xshash yoki bekor bo'lib, xuddi shu yo'nalishga yo'naltirilgan ν.[3]

Asimptotik tekis tekis boshlang'ich ma'lumotlar to'plamining uchlari

Adabiyotda "asimptotik tekis" degan bir-biriga teng bo'lmagan bir necha xil tushunchalar mavjud. Odatda bu o'lchangan Hölder bo'shliqlari yoki Sobolevning bo'shliqli bo'shliqlari bilan belgilanadi.

Biroq, deyarli barcha yondashuvlar uchun umumiy bo'lgan ba'zi xususiyatlar mavjud. Ulardan biri dastlabki ma'lumotlar to'plamini ko'rib chiqadi (M, g, k) chegarasi bo'lishi mumkin yoki bo'lmasligi mumkin; ruxsat bering n uning o'lchamini belgilang. Ulardan biri ixcham ichki to'plam mavjudligini talab qiladi K ning M to`ldiruvchining har bir bog`langan komponenti shunday MK Evklid fazosidagi yopiq sharning komplementiga diffeomorfdir n. Bunday bog'langan komponentlar tugaydi ning M.

Rasmiy bayonotlar

Shoen va Yau (1979)

Ruxsat bering (M, g, 0) dominant energiya holatini qondiradigan vaqt-nosimmetrik dastlabki ma'lumotlar to'plami bo'ling. Aytaylik (M, g) - chegara bilan yo'naltirilgan uch o'lchovli silliq Riemann manifoldu va har bir chegara komponenti o'rtacha o'rtacha egrilikka ega. Faraz qilaylik, uning bir uchi bor va u shunday asimptotik ravishda Shvartschild quyidagi ma'noda:

Aytaylik K ning ochiq prekompakt kichik to'plami M diffeomorfizm mavjud Φ: ℝ3B1(0) → MK, va raqam bor deb taxmin qiling m nosimmetrik 2-tensor

kuni 3B1(0) har qanday kishi uchun shundaydir men, j, p, q, funktsiyalari va barchasi chegaralangan.

Shoen va Yau teoremasi buni tasdiqlaydi m salbiy bo'lmagan bo'lishi kerak. Agar qo'shimcha ravishda funktsiyalar bo'lsa va har qanday uchun cheklangan keyin m chegarasi bo'lmasa ijobiy bo'lishi kerak M bo'sh va (M, g) izometrik 3 uning standart Riemann metrikasi bilan.

Shartlarga e'tibor bering h buni tasdiqlamoqda h, uning ba'zi hosilalari bilan birgalikda qachon kichik x katta. Beri h orasidagi nuqsonni o'lchayapti g koordinatalarda Φ va ning standart vakili t = doimiy tilim Shvartschild metrikasi, bu shartlar "asimptotik Shvartschild" atamasining miqdoriy ko'rsatkichidir. Buni sof matematik ma'noda "asimptotik tekis" ning kuchli shakli sifatida talqin qilish mumkin, bu erda koeffitsient |x|−1 metrikaning kengayish qismi umumiy nosimmetrik 2-tenzordan farqli o'laroq, Evklid metrikasining doimiy ko'paytmasi deb e'lon qilinadi.

Shuni ham unutmangki, Shoen va Yau teoremasi, yuqorida aytib o'tilganidek, aslida (ko'rinishga qaramay) "ko'p sonli" ishning kuchli shakli. Agar (M, g) - bu bir nechta uchlari bo'lgan to'liq Riemann manifoldu, keyin yuqoridagi natija istalgan bitta uchiga tegishlidir, agar boshqa uchida ijobiy o'rtacha egrilik sferasi bo'lsa. Masalan, agar har bir uchi yuqoridagi ma'noda asimptotik tekis bo'lsa, bunga kafolat beriladi; chegara sifatida katta koordinatali sferani tanlashi va bitta uchi bilan chegarasi bor Riemann manifoldigacha har bir uchining tegishli qoldig'ini olib tashlash mumkin.

Shoen va Yau (1981)

Ruxsat bering (M, g, k) dominant energiya holatini qondiradigan dastlabki ma'lumotlar to'plami bo'lishi. Aytaylik (M, g) yo'naltirilgan uch o'lchovli silliq to'liq Riemann manifoldu (chegarasiz); uning cheklangan sonlari ko'p, deylik, ularning har biri quyidagi ma'noda asimptotik tekis.

Aytaylik ochiq-oydin ixcham ichki to'plamdir juda ko'p ulangan tarkibiy qismlarga ega va har biri uchun diffeomorfizm mavjud nosimmetrik 2-tensor quyidagi shartlarni qondiradi:

  • va hamma uchun cheklangan

Bundan tashqari, deylik

  • va har qanday uchun cheklangan
  • va har qanday kishi uchun
  • chegaralangan.

Xulosa shuki, har birining ADM energiyasi sifatida belgilangan

salbiy emas. Bundan tashqari, buni qo'shimcha ravishda faraz qiling

  • va har qanday uchun cheklangan

degan taxmin kimdir uchun shuni anglatadiki n = 1, bu M diffeomorfikdir 3va bu Minkovskiy maydoni 3,1 dastlabki ma'lumotlar to'plamining rivojlanishi (M, g, k).

Witten (1981)

Ruxsat bering yo'naltirilgan uch o'lchovli silliq to'liq Riemann manifoldu (chegarasiz). Ruxsat bering silliq nosimmetrik 2-tensor bo'ling shu kabi

Aytaylik ochiq-oydin ixcham ichki to'plamdir juda ko'p ulangan tarkibiy qismlarga ega va har biri uchun diffeomorfizm mavjud nosimmetrik 2-tensor quyidagi shartlarni qondiradi:

  • va hamma uchun cheklangan
  • va hamma uchun cheklangan

Har biriga tomonidan ADM energiyasini va chiziqli impulsini aniqlang

Har biriga buni vektor sifatida ko'rib chiqing Minkovskiy makonida. Vittenning xulosasi shuki, har biri uchun bu kelajakka yo'naltirilgan kosmik bo'lmagan vektor bo'lishi shart. Agar bu vektor har qanday kishi uchun nolga teng bo'lsa keyin diffeomorfikdir va boshlang'ich ma'lumotlar to'plamining global darajada maksimal giperbolik rivojlanishi egri chiziq nolga teng.

Kengaytmalar va izohlar

Yuqoridagi bayonotlarga ko'ra, Vittenning xulosasi Shoen va Yauga qaraganda kuchliroqdir. Biroq, Schoen va Yau tomonidan yozilgan uchinchi maqola[4] ularning 1981 yildagi natijasi Vittenning natijasini nazarda tutishini ko'rsatib turibdi, bu shunchaki qo'shimcha taxminni saqlab qoladi va har qanday uchun cheklangan Shuni ta'kidlash kerakki, Shoen va Yau 1981 yildagi natijalari 1979 yilgi natijalariga tayanadi, bu ziddiyat bilan isbotlangan; ularning 1981 yildagi natijasini kengaytirish ham qarama-qarshilik bilan bog'liq. Aksincha, Vittenning isboti mantiqan to'g'ridan-to'g'ri va ADM energiyasini to'g'ridan-to'g'ri salbiy bo'lmagan miqdor sifatida namoyish etadi. Bundan tashqari, Vittenning ishdagi isboti manifold spin tuzilishini tan oladigan topologik sharoitda yuqori o'lchovli manifoldlarga ko'p harakat qilmasdan kengaytirilishi mumkin.[5] Schoen and Yau ning 1979 yildagi natijasi va isboti sakkiztadan kichik bo'lgan har qanday o'lchov uchun ham kengaytirilishi mumkin.[6] So'nggi paytlarda Schoen va Yau (1981) usullaridan foydalangan holda Vittenning natijasi xuddi shu mazmunda kengaytirildi.[7] Xulosa qilib aytganda: Schoen va Yau usullaridan kelib chiqqan holda, ijobiy energiya teoremasi sakkizdan kam o'lchovda isbotlangan, Vittenga rioya qilgan holda esa har qanday o'lchovda isbotlangan, ammo spin manifoldlarining o'rnatilishi cheklangan.

2017 yil aprel oyidan boshlab, Schoen va Yau preprint nashr qildilar, bu maxsus ishda yuqori o'lchovli ishni tasdiqlaydi. o'lchov va topologiyada hech qanday cheklovlarsiz. Biroq, u hali (2020 yil may oyidan boshlab) akademik jurnalda paydo bo'lmagan.

Ilovalar

Adabiyotlar

  1. ^ Mahalliy koordinatalarda bu aytiladi gijkij = 0
  2. ^ Mahalliy koordinatalarda bu aytiladi R - gikgjlkijkkl + (gijkij)2 ≥ 2(gpq(gijkpi;j - (gijkij);p)(gklkqk;l - (gklkkl);q))1/2 yoki odatdagi "ko'tarilgan va tushirilgan indeks" yozuvida bu aytilgan R - kijkij + (kmenmen)2 ≥ 2((kpi;men - (kmenmen);p)(kpj;j - (kjj);p))1/2
  3. ^ Buni taxmin qilish odatiy holdir M vaqtga yo'naltirilgan bo'lishi va uchun ν keyin kelajakka yo'naltirilgan birlik normal vektor maydoni sifatida aniq belgilangan bo'lishi kerak f; bu holda kosmosga singib ketishdan kelib chiqadigan dastlabki ma'lumotlar to'plami uchun yuqorida aytib o'tilganidek, ustun energiya holati M avtomatik ravishda haqiqiy bo'lsa, unda dominant energiya holati odatdagi bo'sh vaqt shakli taxmin qilinmoqda.
  4. ^ Shoen, Richard; Yau, Shing Tung (1981). "Umumiy nisbiylikdagi fazoviy vaqtlarning energiyasi va chiziqli impulsi". Kom. Matematika. Fizika. 79 (1): 47–51.
  5. ^ Bartnik, Robert (1986). "Asimptotik tekis manifoldning massasi". Kom. Sof Appl. Matematika. 39 (5): 661–693.
  6. ^ Shoen, Richard M. (1989). "Riemann metrikalari va shunga o'xshash mavzular uchun umumiy skaler egrilikning o'zgaruvchan nazariyasi". O'zgarishlar hisoblashidagi mavzular (Montecatini Terme, 1987). Matematikadan ma'ruza matnlari. 1365, Springer, Berlin: 120–154.
  7. ^ Eyxmair, Maykl; Xuan, Lan-Xsuan; Li, Dan A.; Shoen, Richard (2016). "Sakkizdan kichik o'lchamdagi bo'sh vaqt ijobiy massa teoremasi". J. Eur. Matematika. Soc. (JEMS). 18 (1): 83–121.
  • Shoen, Richard; Yau, Shing-Tung (1979). "Umumiy nisbiylikdagi ijobiy massa gumonining isboti to'g'risida". Matematik fizikadagi aloqalar. Springer Science and Business Media MChJ. 65 (1): 45–76. doi:10.1007 / bf01940959. ISSN  0010-3616.
  • Shoen, Richard; Yau, Shing-Tung (1981). "Ijobiy massa teoremasining isboti. II". Matematik fizikadagi aloqalar. Springer Science and Business Media MChJ. 79 (2): 231–260. doi:10.1007 / bf01942062. ISSN  0010-3616.
  • Witten, Edvard (1981). "Ijobiy energiya teoremasining yangi isboti". Matematik fizikadagi aloqalar. Springer Science and Business Media MChJ. 80 (3): 381–402. doi:10.1007 / bf01208277. ISSN  0010-3616.
  • Lyudvigsen, M; Vikers, J A G (1981-10-01). "Bondi massasining ijobiyligi". Fizika jurnali A: matematik va umumiy. IOP Publishing. 14 (10): L389-L391. doi:10.1088/0305-4470/14/10/002. ISSN  0305-4470.
  • Horovits, Gari T.; Perri, Malkolm J. (1982-02-08). "Gravitatsiyaviy energiya salbiy bo'la olmaydi". Jismoniy tekshiruv xatlari. Amerika jismoniy jamiyati (APS). 48 (6): 371–374. doi:10.1103 / physrevlett.48.371. ISSN  0031-9007.
  • Shoen, Richard; Yau, Shing Tung (1982-02-08). "Bondi massasi ijobiy ekanligining isboti". Jismoniy tekshiruv xatlari. Amerika jismoniy jamiyati (APS). 48 (6): 369–371. doi:10.1103 / physrevlett.48.369. ISSN  0031-9007.
  • Gibbons, G. V.; Xoking, S. V .; Horovits, G. T .; Perry, M. J. (1983). "Qora tuynuklar uchun ijobiy massa teoremalari". Matematik fizikadagi aloqalar. 88 (3): 295–308. JANOB  0701918.

Darsliklar

  • Choket-Bruxat, Yvonne. Umumiy nisbiylik va Eynshteyn tenglamalari. Oksford matematik monografiyalari. Oksford universiteti matbuoti, Oksford, 2009. xxvi + 785 pp. ISBN  978-0-19-923072-3
  • Uold, Robert M. Umumiy nisbiylik. Chicago universiteti Press, Chikago, IL, 1984. xiii + 491 pp. ISBN  0-226-87032-4