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estructura causal

En física matemática , la estructura causal de una variedad de Lorentz describe las relaciones causales entre puntos de la variedad.

Introducción

En la física moderna (especialmente en la relatividad general ) el espacio-tiempo está representado por una variedad de Lorentz . Se interpreta que las relaciones causales entre puntos de la variedad describen qué eventos en el espacio-tiempo pueden influir en qué otros eventos.

La estructura causal de una variedad de Lorentz arbitraria (posiblemente curvada) se complica más por la presencia de curvatura . Las discusiones sobre la estructura causal de tales variedades deben formularse en términos de curvas suaves que unen pares de puntos. Las condiciones sobre los vectores tangentes de las curvas definen entonces las relaciones causales.

Vectores tangentes

Subdivisión del espaciotiempo de Minkowski respecto de un punto en cuatro conjuntos disjuntos. El cono de luz , el futuro causal , el pasado causal y otros lugares . La terminología se define en este artículo.

Si es una variedad de Lorentz (para métrica en variedad ), entonces los vectores tangentes distintos de cero en cada punto de la variedad se pueden clasificar en tres tipos disjuntos . Un vector tangente es:

Aquí usamos la firma métrica . Decimos que un vector tangente no es espacial si es nulo o temporal.

La variedad lorentziana canónica es el espaciotiempo de Minkowski , donde y es la métrica plana de Minkowski . Los nombres de los vectores tangentes provienen de la física de este modelo. Las relaciones causales entre puntos en el espacio-tiempo de Minkowski toman una forma particularmente simple porque el espacio tangente también lo es y, por tanto, los vectores tangentes pueden identificarse con puntos en el espacio. El vector de cuatro dimensiones se clasifica según el signo de , donde es una coordenada cartesiana en el espacio tridimensional, es la constante que representa el límite de velocidad universal y es el tiempo. La clasificación de cualquier vector en el espacio será la misma en todos los marcos de referencia que estén relacionados por una transformación de Lorentz (pero no por una transformación general de Poincaré porque entonces el origen puede desplazarse) debido a la invariancia de la métrica.

Orientabilidad temporal

En cada punto del tiempo, los vectores tangentes en el espacio tangente del punto se pueden dividir en dos clases. Para hacer esto, primero definimos una relación de equivalencia en pares de vectores tangentes temporales.

Si y son dos vectores tangentes temporales en un punto, decimos que y son equivalentes (escritos ) si .

Hay entonces dos clases de equivalencia que contienen entre ellas todos los vectores tangentes temporales en el punto. Podemos (arbitrariamente) llamar a una de estas clases de equivalencia dirigida al futuro y llamar a la otra dirigida al pasado . Físicamente, esta designación de las dos clases de vectores temporales dirigidos al futuro y al pasado corresponde a la elección de una flecha del tiempo en el punto. Las designaciones dirigidas al futuro y al pasado se pueden extender a vectores nulos en un punto por continuidad.

Una variedad de Lorentz es orientable en el tiempo [1] si se puede hacer una designación continua de vectores dirigidos al futuro y al pasado para vectores no espaciales en toda la variedad.

Curvas

Un camino en es un mapa continuo donde hay un intervalo no degenerado (es decir, un conjunto conexo que contiene más de un punto) en . Una ruta suave tiene derivable un número apropiado de veces (típicamente ), y una ruta regular tiene derivada que no desaparece.

Una curva en es la imagen de un camino o, más propiamente, una clase de equivalencia de imágenes de caminos relacionadas por reparametrización, es decir, homeomorfismos o difeomorfismos de . Cuando es orientable en el tiempo, la curva se orienta si se requiere que el cambio de parámetro sea monótono .

Las curvas (o caminos) regulares suaves se pueden clasificar según sus vectores tangentes. Tal curva es

Los requisitos de regularidad y no degeneración garantizan que las curvas causales cerradas (como las que consisten en un solo punto) no sean admitidas automáticamente en todos los espaciotiempos.

Si la variedad es orientable en el tiempo, entonces las curvas no espaciales se pueden clasificar además dependiendo de su orientación con respecto al tiempo.

Una curva cronológica, nula o causal es

Estas definiciones solo se aplican a curvas causales (cronológicas o nulas) porque solo a los vectores temporales o tangentes nulos se les puede asignar una orientación con respecto al tiempo.

Relaciones causales

Hay varias relaciones causales entre puntos y en la variedad .

Estas relaciones satisfacen las siguientes propiedades:

Para un punto en la variedad definimos [5]

De manera similar definimos

A los puntos contenidos en , por ejemplo, se puede llegar mediante una curva temporal dirigida al futuro. Al punto se puede llegar, por ejemplo, a partir de puntos contenidos en una curva no espacial dirigida al futuro.

En el espacio-tiempo de Minkowski el conjunto es el interior del futuro cono de luz en . El conjunto es el cono de luz del futuro completo en , incluido el cono mismo.

Estos conjuntos definidos para todo en , se denominan colectivamente estructura causal de .

Para un subconjunto de definimos [5]

Para dos subconjuntos de definimos

diamante causal

Propiedades

Véase Penrose (1972), p13.

Propiedades topológicas :

Geometría conforme

Dos métricas y están relacionadas conforme [8] si para alguna función real se llama factor conforme . (Ver mapa conforme ).

Al observar las definiciones de qué vectores tangentes son temporales, nulos y espaciales, vemos que permanecen sin cambios si usamos o . Como ejemplo, supongamos que es un vector tangente temporal con respecto a la métrica. Esto significa que . Entonces tenemos que so es un vector tangente temporal con respecto a también.

De esto se deduce que la estructura causal de una variedad de Lorentz no se ve afectada por una transformación conforme .

Una geodésica nula sigue siendo una geodésica nula bajo un cambio de escala conforme.

infinito conforme

Una métrica infinita admite geodésicas de longitud infinita/tiempo propio. Sin embargo, a veces podemos hacer un cambio de escala conforme de la métrica con un factor conforme que cae lo suficientemente rápido a 0 a medida que nos acercamos al infinito para obtener el límite conforme de la variedad. La estructura topológica del límite conforme depende de la estructura causal.

En varios espacios:

Singularidad gravitacional

Si una geodésica termina después de un parámetro afín finito y no es posible extender la variedad para extender la geodésica, entonces tenemos una singularidad .

El horizonte de sucesos absoluto es el cono nulo del pasado del futuro infinito en forma de tiempo. Es generado por geodésicas nulas que obedecen a la ecuación óptica de Raychaudhuri .

Ver también

Notas

  1. ^ Hawking e Israel 1979, pág. 255
  2. ^ Galloway, Gregory J. "Notas sobre la causalidad lorentziana" (PDF) . Escuela de Verano ESI-EMS-IAMP sobre Relatividad Matemática . Universidad de Miami. pag. 4 . Consultado el 2 de julio de 2021 .
  3. ^ Penrose 1972, pág. 15
  4. ^ ab Papadopoulos, Kyriakos; Acharjee, Santanu; Papadopoulos, Basil K. (mayo de 2018). "El orden del cono de luz y su topología inducida". Revista internacional de métodos geométricos en física moderna . 15 (5): 1850069–1851572. arXiv : 1710.05177 . Código Bib : 2018IJGMM..1550069P. doi :10.1142/S021988781850069X. S2CID  119120311.
  5. ^ abcdef Penrose 1972, pág. 12
  6. ^ Stoica, OC (25 de mayo de 2016). "Estructura causal y dimensión del espacio-tiempo a partir de la relación horismática". Diario de gravedad . 2016 : 1–6. arXiv : 1504.03265 . doi : 10.1155/2016/6151726 .
  7. ^ ab Sard 1970, pág. 78
  8. ^ Hawking y Ellis 1973, pág. 42

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos