• Nie Znaleziono Wyników

(* Wiele materiału zawartego w niniejszym rozdziale, w ściślejszej formie wyłoŜone jest w ksiąŜce

7.7 Całkowe prawa zachowania

Całkowe wielkości zachowane określone są przez całki względem 3-wymiarowego obszaru, które na mocy

dywergentnego charakteru ich wyraŜeń podcałkowych moŜna przekształcić w całki liniowe ( całkowanie względem brzegu obszaru ). W przypadku układów wyspowych całkowity 4-pęd układu jak równieŜ moment pędu określone są przez całkę względem brzegu, oddalonego do nieskończoności.

Rozpatrzmy teraz definicje całkowych wielkości zachowanych w róŜnych podejściach do analizy asymptotycznej struktury czasoprzestrzeni. Rozpoczniemy od podejścia Ashtekar’a-Hansen’a.

Podgrupa translacji z Spi-grupy wydzielona być moŜe za pomocą funkcji α, spełniającej na hiperbolidzie Ħ równanie :

∇ ~( µ ∇ ~ν ) = α hµν (7.53)

[ porównaj z (7.46)]. Skąd wynika, Ŝe ∇ ~ν α – jest wektorem konforemnym Killinga na ( Ħ, h). Zgodnie z [7] całkowity 4-pęd układu wyspowego jest równy :

Pα ζα

=

Єαβ ζβ εα

µν dsµν

(7.54)

S2

Gdzie : ζ - stały wektor, leŜący na przestrzeni stycznej do punktu I0 ; εαµν = Eβαµν Lβ – 3-wymiarowy tensor Leviego-Civity .

Na mocy tego, Ŝe pesudoelektryczna część tensora Weyla ma równy zeru ślad oraz ∇ ~α Єαβ = 0, 4-pęd układu jest zachowany w tym sensie, Ŝe całka (7.54) nie zaleŜy od wyboru cięcia S2.

Jaki jest związek między (7.54) i znanymi wielkościami zachowanymi typu Komara i 4-pędu ADM ?

Okazuje się ,Ŝe 4-pęd izolowanego układu (7.54) pokrywa się z 4-pędem ADM i dla stacjonarnej, asymptotycznie płaskiej czasoprzestrzeni, pustej na przestrzennej nieskończoności Pα = mξα , gdzie : ξ - wektor w I0, odpowiadający Spi-translacji , a m – jest masą określoną przez całkę Komara ( zobacz paragraf 3.4 ). Magnetyczny analog Pα nie istnieje, dlatego dla Ŋαβ całka typu (7.54) jest równa zeru.

Jeśli w definicja 4-pędu układu wyspowego jest określona w sposób jasny, to o definicji momentu pędu tego powiedzie nie moŜna. Pojęcie momentu pędu zaleŜne jest bowiem od „centrum” – punktu, względem którego jest on określony.

W STW prawo zmiany momentu pędu przy zmianie współrzędnych : x’µ = xµ + aµ ma postać :

M’αβ = Mαβ + P[ α a β ] (7.55)

Gdzie : a – jest wektorem translacji.

Zatem, aby otrzymać definicje momentu pędu o takich własnościach, koniecznym jest posiadanie 4-parametrycznej rodziny grup Lorentza, określonych wektorem a.

Spi-grupa zawiera jednak nieskończony zbiór grup Lorentza co jest wynikiem nieskończonego wymiaru grupy supertranslacji. Powracamy zatem znów do juŜ omówionego problemu wydzielenia grupy Poincare’go z Spi-grupy.

Informacja o momencie pędu zawarta jest w „części” tensora Weyla, znikającej w nieskończoności jak 1/ r4 .

PoniewaŜ pseudomagnetyczna część tensora Weyla Ŋαβ zachowuje się jak 1/r4 przy r →∞, to wynikający z ( 1/ r4 ) rząd tensora Weyla na Ħ określony jest następująco [ zobacz (7.47), (7.48) ] :

β^αβ = lim C^α*µβγ ∇^µ Ω1/2 ∇^γ Ω1/2 (7.56)

→ I0

Pole tensorowe β^αβ – jest polem zachowanym :

∇^α β^αβ = 0 (7.57)

i przekształca się względem Spi-translacji następująco : β^αβ → β^αβ + 2 εµν (α Єν

β ) ∇~µ α

Moment pędu M^ określony jest przez całkę :

M^αβ Fαβ =

β^αβ θα εβγδ dsγδ (7.58)

I przekształca się według prawa : M^αβ → M^αβ + P[ α ζβ ]

Fαβ – dowolny antysymetryczny tensor w I0 ; θ – pole wektorowe Killinga na ( Ħ, h) określone jako : θα = Eαβγδ Fβγ Lδ

ζ - wektor w I0 odpowiadający Spi-translacji α tj. α = ζβ Lρ.

Wektor momentu pędu S związany jest z M^αβ zaleŜnością :

Sα = Eαβγδ M^βγ ξδ (7.59)

Gdzie : ξα = ( Pµ Pµ )-1/2 Pα .

Zarówno Sα jak i M^αβ nie zaleŜą od wyboru cięcia S2.

Dla stacjonarnej, asymptotycznie pustej i płaskiej czasoprzestrzeni ( w przestrzennej nieskończoności ) , gdzie spełnione jest (7.57) mamy :

M^αβ Fαβ = IK

Gdzie: Fαβ = lim ∇^[ α ωβ ] , IK - jest wartością całki Komara, odpowiadającą wektorowi Killinga ω.

→ I0

W przypadku podejścia 3+1 do badania asymptotycznej struktury czasoprzestrzeni grupa asymptotycznych symetrii jest izomorficzna do grupy Lorentza i na skutek braku grupy supertranslacji niemoŜliwe jest określenie momentu pędu.

Co zaś tyczy 4-pędu układu to sprowadza się on do definicji ADM.

Przejdziemy teraz do całkowych wielkości zachowanych, budowanych przez grupę BMS. Jak wynika z paragrafu 7.6, podgrupę Poincare’go moŜemy wydzielić jednoznacznie z grupy BMS wtedy, kiedy istnieją dobre cięcia.

W tym przypadku 4-pęd Bondiego-Sachs’a określony jest jako [ 14, 103 ] ( oznaczenia – zobacz paragraf 1.8 ) :

Pα = - ¼ π

ζα Ψ02 ds (7.60)

Gdzie : ζ = ( 1, sinθ cosφ, sinθ sinφ, cosθ ) ; Ψ0

2 = lim r3 Ψ2 r →∞

W ogólnej sytuacji, kiedy nie występują dobre cięcia do (7.60) naleŜy dodać człony uwzględniające przesunięcie asymptotyczne i wtedy :

Pα = ¼ π

ζα ( σ0 ∏ - Ψ02 ) ds (7.61) Całkowanie w powyŜszych wzorach prowadzimy względem cięć I+ , homeomorficznych do sfery.

Funkcja ∏ nazywa się „funkcją Bondiego” i jest określona z równania :

∂σ0/∂u = -∏- (7.62) przy czym :

∂∏/∂u = Ψ0

4 (7.63) Ψ0

4 = lim r Ψ4 r →∞

Strata masy na promieniowanie określona jest wzorem [ 14, 122] :

dm/du = - ¼ π

∏- ds < 0 (7.64)

ZauwaŜmy, Ŝe wybór wektora ζ w (7.60) jest niejednoznaczny. Związany jest on z niejednoznacznością w wyborze funkcji K(θ, φ) [ zobacz (7.33) ], zaleŜnej od trzech niezaleŜnych parametrów. RóŜny wybór tej funkcji odpowiada róŜnemu wyborowi „asymptotycznej osi czasowej”. Trudności w określeniu momentu pędu przez grupę BMS zostały juŜ omówione w paragrafie 7.6 nie będziemy zatem do nich powracali.

Tamburino i Winicour [131]wprowadzili uogólnienie całki Komara, pozwalające określić moment pędu przez tzw. całki powiązania ( linkage ). Ich uogólnienie polega na tym co następuje :

1) Asymptotyczny wektor Killinga rozprzestrzenia się wewnątrz po izotropowej hiperpowierzchni Γ, przecinającej I+

zgodnie z cięciem Σ+ zgodnie z prawem :

[ ξ(α ; β) – ½ ξδ;δ gαβ ] kβ | Γ = 0 (7.65) gdzie : k- „izotropowy” generator na Γ.

Pozwala to określić pole wektorowe ξ na Γ przez wartości początkowe, zadane na Σ+ = Γ ∩ ℑ+ i przez ogólne rozwiązanie asymptotycznego konforemnego równania Killinga (7.38).

2) Zmodyfikowaną całkę Komara zapisujemy następująco :

Lξ ( Σ ) = -(1/16π)

( ξ[α ; β] + ξδ;δ k[ α Lβ ] ) dsαβ (7.66)

Gdzie : Σ - cięcie na Γ ; k[ α Lβ ] – biwektor normalny do Σ o normalizacji kα Lα = 1 ( zobacz formalizm Newmana-Penrose’a paragraf 1.8 )

3) Wybieramy obszar Σ → Σ+ wzdłuŜ Γ. Otrzymane wyraŜenie określa moment pędu układu lub jego 4-pęd , w zaleŜności od geometrycznego sensu odpowiedniego generatora grupy BMS.

Problem redukcji grupy BMS do grupy Poincare’go w podejściu Tamburino-Winicour’a, jednakowoŜ nie zostaje rozwiązany, pojawiają się zatem te same trudności w określeniu momentu pędu co i wcześniej.

Badanie asymptotycznych własności czasoprzestrzeni jest jeszcze dalekie do ukończenia. Jak widać z analizy

przeprowadzonej w tym rozdziale, istnieje szereg podejść i do tej pory nie ma jasności w pełnym zrozumieniu struktury asymptotycznej czasoprzestrzeni.

Na zakończenie wskaŜemy pewne problemy, sformułowane przez Ashtekar’a i Penrose’a.

1) Pokazać, Ŝe jeśli cięcie Σ izotropowej nieskończoności przyszłości ℑ+ ( lub przeszłości ℑ- ) jest powierzchnią przestrzennopodobną, na której spełnione są odpowiednie warunki energetyczne, to masa określona według Bondiego-Sachs’a na Σ jest nieujemna [ 104]. Pod pojęciem „odpowiednich warunków energetycznych” mamy tu na względzie ogólną sytuację tzn. – warunek dominacji energetycznej. Analogiczny problem moŜemy sformułować dla masy

określonej przez asymptotyczną przestrzennopodobną hiperpowierzchnię w podejściu 3+1 ( masa ADM ). MoŜliwe jest równieŜ dowolne określenie masy poprzez odpowiednie pseudotensory przy warunku poprawnego określenia

odpowiedniego układu współrzędnych tj. układu współrzędnych która w wymagany sposób asymptotycznie dąŜy do układu kartezjańskiego. MoŜe być równieŜ wykorzystane inne cechowanie zgodne ze strukturą asymptotyczną.

Zaniechanie spełnienia tych warunków moŜe być źródłem wielu trudności a nawet moŜe prowadzić do sytuacji w której samo pojęcie energii ( masy ) będzie bezsensowne w OTW.

2) Czy masa według Bondiego-Sachs’a, określona przez cięcie nieskończoności izotropowej przyszłości ℑ+ ma jakąś granicę przy cięciu dąŜącym do przeszłości zgodnie z ℑ+ ?. Jeśli tak, to czy pokrywa się ona z wartością masy, określoną na przestrzennej nieskończoności [104] ?

Problem ten , jak sądzimy będzie rozwiązany wtedy kiedy ostatecznie wyjaśni się związek między grupą BMS – grupą asymptotycznych symetrii nieskończoności izotropowej i Spi-grupą – grupą asymptotycznych symetrii w podejściu Ashtekar’a-Hansen’a.

3) Pokazać, Ŝe jeśli słuszny jest warunek dominacji energetycznej, to 4-pęd według Bondiego-Sachs’a, jak równieŜ 4-pęd określony przez przestrzenną nieskończoność, ma kierunek ku przyszłości. Przy tym zakładamy, Ŝe czasoprzestrzeń jest wszędzie płaska w pobliŜu przestrzennopodobnej hiperpowierzchni, którą wykorzystujemy w celu określenia wielkości całkowych [104].

4) Jeśli nie występuje przychodzące i wychodzące ( ku nieskończoności ) promieniowanie i czasoprzestrzeń jest pusta w pobliŜu I i ( w pewnym sensie ) w pobliŜu I0, to czy jest ona stacjonarna w pobliŜu I [104] ?

5) Niech będzie dany zbiór rozmaitości, kaŜda z których jest asymptotycznie pusta i płaska zarówno w przestrzennej jak i izotropowej nieskończoności. Jeśli zignorować strukturę asymptotyczną w punkcie I0 , to grupą asymptotycznej symetrii będzie grupa BMS. Jeśli zignorować asymptotyczną strukturę izotropowej nieskończoności I, to odpowiednią grupą symetrii będzie Spi-grupa. Jaka jest grupa asymptotycznych symetrii, która zachowuje asymptotyczną strukturę w obu reŜimach ?. Czy moŜna otrzymać kanoniczny rozkład tej grupy na grupę Poincare’go i część cechującą [ 146, str. 68] ? 6) Czy istnieje zadowalająca definicja momentu pędu poprzez izotropową nieskończoność [ 146, str. 68] ?

Wszystkie istniejące definicję posiadają dowolność w wyborze cechowania ( supertranslacji ).