Координаты Крускала – Секереса - Kruskal–Szekeres coordinates

Диаграмма Крускала – Секереса, проиллюстрированная для 2GM= 1. Квадранты - это внутренняя часть черной дыры (II), внутренняя часть белой дыры (IV) и две внешние области (I и III). Пунктирные линии под углом 45 °, разделяющие эти четыре области, являются горизонты событий. Более темные гиперболы, ограничивающие верх и низ диаграммы, являются физическими особенностями. Более светлые гиперболы представляют контуры Шварцшильдов р координаты, а прямые, проходящие через начало координат, представляют собой контуры Шварцшильда. т координировать.

В общая теория относительности Координаты Крускала – Секереса, названный в честь Мартин Крускал и Джордж Секерес, площадь система координат для Геометрия Шварцшильда для черная дыра. Эти координаты имеют то преимущество, что они покрывают все пространство-время. многообразие максимально расширенного решения Шварцшильда и хорошо себя ведут всюду за пределами физической особенности.

Определение

Диаграмма Крускала – Секереса. Каждый кадр анимации показывает синюю гиперболу как поверхность, на которой радиальная координата Шварцшильда постоянна (и с меньшим значением в каждом последующем кадре, пока не заканчивается сингулярностями).

Координаты Крускала – Секереса на черная дыра геометрии определяются из Координаты Шварцшильда ${\displaystyle (t,r,\theta ,\phi )}$, заменив т и р по новой времениподобной координате Т и новая пространственноподобная координата ${\displaystyle X}$:

${\displaystyle T=\left({\frac {r}{2GM}}-1\right)^{1/2}e^{r/4GM}\sinh \left({\frac {t}{4GM}}\right)}$

${\displaystyle X=\left({\frac {r}{2GM}}-1\right)^{1/2}e^{r/4GM}\cosh \left({\frac {t}{4GM}}\right)}$

для внешнего региона ${\displaystyle r>2GM}$ вне горизонт событий и:

${\displaystyle T=\left(1-{\frac {r}{2GM}}\right)^{1/2}e^{r/4GM}\cosh \left({\frac {t}{4GM}}\right)}$

${\displaystyle X=\left(1-{\frac {r}{2GM}}\right)^{1/2}e^{r/4GM}\sinh \left({\frac {t}{4GM}}\right)}$

для внутреннего региона ${\displaystyle 0<r<2GM}$. Здесь ${\displaystyle GM}$ это гравитационная постоянная умноженное на параметр массы Шварцшильда, и в этой статье используется единицы куда ${\displaystyle c}$ = 1.

Отсюда следует, что при объединении внешней области, горизонта событий и внутренней области радиальная координата Шварцшильда ${\displaystyle r}$ (не путать с Радиус Шварцшильда ${\displaystyle r_{s}=2GM}$), определяется в координатах Крускала – Секереса как (единственное) решение уравнения:

${\displaystyle T^{2}-X^{2}=\left(1-{\frac {r}{2GM}}\right)e^{r/2GM}\ ,T^{2}-X^{2}<1}$

С использованием W функция Ламберта решение записывается как:

${\displaystyle r=2GM\left(1+W_{0}\left({\frac {X^{2}-T^{2}}{e}}\right)\right)}$.

Более того, сразу видно, что во внешней по отношению к черной дыре области ${\displaystyle T^{2}-X^{2}<0,\ X>0}$

${\displaystyle t=4GM\mathop {\mathrm {arctanh} } (T/X)}$

тогда как во внутренней области черной дыры ${\displaystyle 0<T^{2}-X^{2}<1,\ T>0}$

${\displaystyle t=4GM\mathop {\mathrm {arctanh} } (X/T)}$

В этих новых координатах метрика многообразия черных дыр Шварцшильда задается выражением

${\displaystyle g={\frac {32G^{3}M^{3}}{r}}e^{-r/2GM}(-dT^{2}+dX^{2})+r^{2}g_{\Omega },}$

написано с использованием (- + + +) метрическая подпись соглашению и где угловая составляющая метрики (риманова метрика 2-сферы) равна:

${\displaystyle g_{\Omega }\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ d\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2}}$.

Выражение метрики в этой форме ясно показывает, что радиальные нулевые геодезические, т.е. с постоянной ${\displaystyle \Omega =(\theta ,\phi )}$ параллельны одной из линий ${\displaystyle T=\pm X}$. В координатах Шварцшильда радиус Шварцшильда ${\displaystyle r_{s}=2GM}$ - радиальная координата горизонт событий ${\displaystyle r=r_{s}=2GM}$. В координатах Крускала-Секереса горизонт событий определяется выражением ${\displaystyle T^{2}-X^{2}=0}$. Обратите внимание, что метрика прекрасно определена и неособа на горизонте событий. Особенность кривизны находится в точке ${\displaystyle T^{2}-X^{2}=1}$.

Максимально расширенное решение Шварцшильда

Преобразование между координатами Шварцшильда и координатами Крускала – Секереса определено для р > 2GM, и −∞ < т <∞, что является диапазоном, для которого координаты Шварцшильда имеют смысл. Однако в этом регионе р является аналитической функцией Т и Икс и может быть расширен как аналитическая функция по крайней мере до первой особенности, которая встречается в ${\displaystyle T^{2}-X^{2}=1}$. Таким образом, указанная выше метрика является решением уравнений Эйнштейна во всей этой области. Допустимые значения:

${\displaystyle -\infty <X<\infty \,}$

${\displaystyle -\infty <T^{2}-X^{2}<1}$

Обратите внимание, что это расширение предполагает, что решение везде аналитическое.

В максимально расширенном решении на самом деле есть две особенности при р = 0, один для положительного Т и один для отрицательного Т. Отрицательный Т сингулярность - это обращенная во времени черная дыра, которую иногда называют "белая дыра ". Частицы могут вырваться из белой дыры, но никогда не вернутся.

Максимально расширенная геометрия Шварцшильда может быть разделена на 4 области, каждая из которых может быть покрыта подходящим набором координат Шварцшильда. С другой стороны, координаты Крускала – Секереса покрывают все многообразие пространства-времени. Четыре региона разделены горизонтами событий.

я	внешний регион	${\displaystyle -X<T<+X}$	${\displaystyle 2GM<r}$
II	внутренняя черная дыра	${\displaystyle \vert X\vert <T<{\sqrt {1+X^{2}}}}$	${\displaystyle 0<r<2GM}$
III	параллельная внешняя область	${\displaystyle +X<T<-X}$	${\displaystyle 2GM<r}$
IV	внутренняя белая дыра	${\displaystyle -{\sqrt {1+X^{2}}}<T<-\vert X\vert }$	${\displaystyle 0<r<2GM}$

Приведенное выше преобразование между координатами Шварцшильда и Крускала – Секереса применимо только в областях I и II. Аналогичное преобразование может быть записано в двух других регионах.

Координата времени Шварцшильда т дан кем-то

${\displaystyle \tanh \left({\frac {t}{4GM}}\right)={\begin{cases}T/X&{\mbox{(in I and III)}}\\X/T&{\mbox{(in II and IV)}}\end{cases}}}$

В каждом регионе он проходит от −∞ до + ∞ с бесконечностями на горизонтах событий.

Исходя из требований, что квантовый процесс Радиация Хокинга унитарен, 'т Хофт предложил^[1] что области I и III, а также II и IV - это просто математические артефакты, возникающие в результате выбора ветвей для корней, а не параллельных вселенных, и что отношение эквивалентности

${\displaystyle (T,X,\Omega )\sim (-T,-X,-\Omega )}$

должны быть навязаны. Если мы думаем, что области III и IV имеют сферические координаты, но с отрицательным выбором квадратного корня для вычисления ${\displaystyle r}$, то мы просто соответственно используем противоположные точки на сфере для обозначения одной и той же точки в пространстве, так, например,

${\displaystyle (t^{(I)},r^{(I)},\Omega ^{(I)})=(t,r,\Omega )\sim (t^{(III)},r^{(III)},\Omega ^{(III)})=(t,-r,-\Omega )}$,

и ${\displaystyle r^{(I)}\Omega ^{(I)}=r^{(III)}\Omega ^{(III)}=r\Omega }$.Поскольку это бесплатное действие группы ${\displaystyle \mathbb {Z} /2\mathbb {Z} }$ сохраняя метрику, это дает корректно определенное лоренцево многообразие. Он определяет предел ${\displaystyle t^{(II)}=-\infty }$ внутренней области II, соответствующей отрезку координатной прямой ${\displaystyle T=-X,\ T>0,X<0}$ с пределом ${\displaystyle t^{(I)}=-\infty }$ внешней области I, соответствующей ${\displaystyle T=-X,\ T<0,X>0}$. Идентификация означает, что, хотя каждая пара ${\displaystyle (T,X)\sim (-T,-X)\neq (0,0)}$ соответствуют пространственному направлению на сфере, точка ${\displaystyle (T,X)=(0,0)}$ соответствует прямой, т.е. точке на проективной плоскости ${\displaystyle \mathbf {RP} ^{2}=S^{2}/\pm }$ вместо этого, и топология основного многообразия больше не ${\displaystyle \mathbb {R} ^{4}-\mathrm {line} =\mathbb {R} ^{2}\times S^{2}}$.

Качественные особенности диаграммы Крускала – Секереса

Координаты Крускала – Секереса обладают рядом полезных свойств, которые делают их полезными для построения интуитивных представлений о пространстве-времени Шварцшильда. Главным из них является тот факт, что все радиальные светоподобные геодезические ( мировые линии световых лучей, движущихся в радиальном направлении) выглядят как прямые линии под углом 45 градусов на диаграмме Крускала-Секереса (это можно вывести из приведенного выше метрического уравнения, которое гарантирует, что если ${\displaystyle dX=\pm dT\,}$ затем подходящее время ${\displaystyle ds=0}$).^[2] Все временноподобные мировые линии медленнее световых объектов будут в каждой точке иметь наклон ближе к вертикальной оси времени ( Т координата), чем 45 градусов. Итак, световой конус нарисованный на диаграмме Крускала – Секереса будет выглядеть так же, как световой конус в Диаграмма Минковского в специальная теория относительности.

Горизонты событий, ограничивающие внутренние области черной дыры и белой дыры, также представляют собой пару прямых линий под углом 45 градусов, отражающих тот факт, что луч света, излучаемый в горизонт в радиальном направлении (направленный наружу в случае черной дыры, внутрь в случае с белой дырой) навсегда останется на горизонте. Таким образом, два горизонта черной дыры совпадают с границами будущего светового конуса события в центре диаграммы (в точке Т=Икс= 0), а два горизонта белой дыры совпадают с границами светового конуса прошлого того же события. Любое событие внутри внутренней области черной дыры будет иметь световой конус будущего, который останется в этой области (так что любая мировая линия в пределах светового конуса будущего события в конечном итоге коснется сингулярности черной дыры, которая выглядит как гипербола ограниченный двумя горизонтами черной дыры), и любое событие внутри внутренней области белой дыры будет иметь световой конус прошлого, который останется в этой области (так что любая мировая линия в пределах этого светового конуса прошлого должна возникать в сингулярности белой дыры, т.е. гипербола, ограниченная двумя горизонтами белой дыры). Обратите внимание: хотя горизонт выглядит как расширяющийся наружу конус, площадь этой поверхности, заданная как р просто ${\displaystyle 16\pi M^{2}}$, постоянная. То есть эти координаты могут быть обманчивыми, если не проявлять осторожность.

Было бы поучительно рассмотреть, какие кривые постоянной Шварцшильд координата будет выглядеть так, как если бы она была нанесена на диаграмму Крускала-Секереса. Оказывается, что кривые постоянной р-координата в координатах Шварцшильда всегда выглядит как гипербола, ограниченная парой горизонтов событий под углом 45 градусов, а линии постоянных т-координата в координатах Шварцшильда всегда выглядит как прямые под разными углами, проходящие через центр диаграммы. Горизонт событий черной дыры, граничащий с внешней областью, я бы совпал с Шварцшильдом. т-координата + ∞, в то время как горизонт событий белой дыры, граничащий с этой областью, совпадал бы с точкой Шварцшильда. т-координата −∞, отражающая тот факт, что в координатах Шварцшильда падающей частице требуется бесконечное координатное время, чтобы достичь горизонта (то есть расстояние частицы от горизонта приближается к нулю, когда Шварцшильд т-координата приближается к бесконечности), и частица, летящая от горизонта, должна была пересечь его за бесконечное координатное время в прошлом. Это просто артефакт того, как определены координаты Шварцшильда; свободно падающая частица займет только конечное подходящее время (время, измеряемое его собственными часами), чтобы пройти между внешним наблюдателем и горизонтом событий, и если мировая линия частицы нарисована на диаграмме Крускала-Секереса, это также займет только конечное координатное время в координатах Краскала-Секереса.

Система координат Шварцшильда может охватывать только одну внешнюю область и одну внутреннюю область, например области I и II на диаграмме Крускала-Секереса. С другой стороны, система координат Крускала-Секереса может охватывать "максимально расширенное" пространство-время, которое включает область, покрываемую координатами Шварцшильда. Здесь «максимально расширенный» относится к идее, что пространство-время не должно иметь никаких «краев»: любые геодезический путь может быть продлен произвольно далеко в любом направлении, если он не входит в гравитационная сингулярность. Технически это означает, что максимально расширенное пространство-время является либо «геодезически полным» (то есть любую геодезическую можно расширить до сколь угодно больших положительных или отрицательных значений ее «аффинного параметра»,^[3] который в случае времениподобной геодезической мог бы быть просто подходящее время ), или если какие-либо геодезические неполные, это может быть только потому, что они заканчиваются в сингулярности.^[4][5] Чтобы удовлетворить это требование, было обнаружено, что помимо внутренней области черной дыры (область II), в которую частицы входят, когда они падают через горизонт событий снаружи (область I), должна существовать отдельная внутренняя белая дыра. область (область IV), которая позволяет нам продлить траектории частиц, которые сторонний наблюдатель видит поднимающимися вверх прочь от горизонта событий вместе с отдельной внешней областью (область III), которая позволяет нам продлить некоторые возможные траектории частиц в двух внутренних областях. На самом деле существует несколько возможных способов расширить внешнее решение Шварцшильда до максимально расширенного пространства-времени, но расширение Крускала-Секереса уникально тем, что оно является максимальным, аналитический, односвязный вакуумный раствор в котором все максимально протяженные геодезические либо полны, либо скаляр кривизны расходится по ним за конечное аффинное время.^[6]

Вариант Lightcone

В литературе координаты Крускала – Секереса иногда встречаются и в их варианте светового конуса:

${\displaystyle U=T-X}$

${\displaystyle V=T+X,}$

в котором метрика задается

${\displaystyle ds^{2}=-{\frac {32G^{3}M^{3}}{r}}e^{-r/2GM}(dUdV)+r^{2}d\Omega ^{2},}$

и р неявно определяется уравнением^[7]

${\displaystyle UV=\left(1-{\frac {r}{2GM}}\right)e^{r/2GM}.}$

Эти координаты светового конуса обладают той полезной функцией, что исходящие ноль геодезические даны ${\displaystyle U={\text{constant}}}$, а входящие нулевые геодезические задаются ${\displaystyle V={\text{constant}}}$. Кроме того, (будущие и прошлые) горизонты событий задаются уравнением ${\displaystyle UV=0}$, а особенность кривизны задается уравнением ${\displaystyle UV=1}$.

Координаты светового конуса близки к Координаты Эддингтона – Финкельштейна.^[8]

Смотрите также

• Координаты Шварцшильда
• Координаты Эддингтона – Финкельштейна
• Изотропные координаты
• Координаты Гуллстранда – Пенлеве

Примечания

1. 'т Хоофт, Джерард (2019). «Квантовая черная дыра как теоретическая лаборатория, педагогическая трактовка нового подхода». arXiv:1902.10469 [gr-qc ].
2. Миснер, Чарльз У .; Кип С. Торн; Джон Арчибальд Уиллер (1973). Гравитация. В. Х. Фриман. п. 835. ISBN  978-0-7167-0344-0.
3. Хокинг, Стивен У .; Джордж Ф. Р. Эллис (1975). Крупномасштабная структура пространства-времени. Издательство Кембриджского университета. п.257. ISBN  978-0-521-09906-6.
4. Хобсон, Майкл Пол; Джордж Эфстатиу; Энтони Н. Ласенби (2006). Общая теория относительности: введение для физиков. Издательство Кембриджского университета. п.270. ISBN  978-0-521-82951-9.
5. Эллис, Джордж; Антонио Ланца; Джон Миллер (1994). Возрождение общей теории относительности и космологии: обзор, посвященный 65-летию Денниса Скиамы. Издательство Кембриджского университета. стр.26–27. ISBN  978-0-521-43377-8.
6. Аштекар, Абхай (2006). Сто лет теории относительности. Всемирная научная издательская компания. п.97. ISBN  978-981-256-394-1.
7. Муханов, Вячеслав; Сергей Виницкий (2007). Введение в квантовые эффекты в гравитации. Издательство Кембриджского университета. стр.111–112. ISBN  978-0-521-86834-1.
8. MWT, Гравитация.

Рекомендации

• Миснер, Торн, Уиллер (1973). Гравитация. В. Фриман и компания. ISBN  0-7167-0344-0.