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大学数学基礎解説
文献あり

【Causality】時空が多様体上の時間バンドルとなるための十分条件

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 時空は局所的には(時間)×(多様体)と分解できますが、大域的にはどうでしょうか、という話です。この話題を数学的にしっかり定式化して論じていきます。この記事はSteven Harrisの論文「Conformally stationary spacetimes」を勉強したときのノートでもあります。なので読者想定としてある程度の微分幾何と相対論の教養は仮定します。議論歓迎します。何でもコメントどうぞ。

 まず次の定理がこの問題に対する基本的な定式化であり、問題意識でもあり、出発点です。

定理1

時空(M,g)はchronologicalとし、Uを完備な時間的ベクトル場とする。Uの軌道空間をQとすると、MUの積分曲線をファイバーとする近多様体Q上のprincipal line bundleとなる。

 登場した言葉の定義をしておきます。時空とは時間的向き付け可能なLorentz多様体のことです。chronologicalとは閉じた時間的曲線が存在しない時空のことです。Uの軌道空間とは時空Mに同一のUの積分曲線上にあるものを同一視する同値類を入れたときの商空間のことです。近多様体とは局所的にEuclid空間と同相な近傍が存在する可算基を持つ位相空間です。近多様体がHausdorffなら多様体(paracompact Hausdorff位相空間)となります([3], proposition 1.15.1)。

定理1の証明

 Uの生成する1パラメータ変換群をϕtとする。RMへの作用をϕtで定める。この作用が局所的に部分多様体で与えられるスライスを持つことを示せば十分である。
 [2]のProposition2.2.2によれば、任意の点pMに対して、pの近傍Wがあって、十分大きい|t|に対して、ϕt(W)W=となるならば滑らかな部分多様体のスライスを持つことが従う。
 Uは未来向きであるとして一般性を失わない。任意の点pMの小さい近傍をVとする。Mに任意にリーマン計量hを入れ、hに関する半径r、中心qの測地球をBr(q)と書くことにする。実数t0>0を任意に選び固定する。qVに対して、BR(q)(q)I(ϕt0(q))を満たすように関数RC(V)を定める。r:=infqVR(q)とし、r0=r/2とすると、任意の2点q1,q2Br0(p)に対して、q2B2r0(q1)I(ϕt0(q1))である。
 qBr0(p)と十分大きいt>t0に対して、ϕt(q)W=Br0(p)と交わらない。なぜなら、もし交わるとすれば、あるt1(>t0)に対して、ϕt1(q)Wとなるが、Wの作り方からI(ϕt0(q))ϕt1(q)となり、ϕt1(q)からϕt0(q)への未来向きtimelike曲線が存在し、従って閉timelike曲線が存在することになり、chronologicalであることに矛盾するからである(図2参照)。
 上の処方をt<0に対しても行ってpの近傍Wで十分小さいt<0に対して、ϕt(W)W=となるものが取れる。
 W=WWとすれば望みの近傍が得られる。

証明の模式図1 証明の模式図1

証明の模式図2 証明の模式図2

 時空がchronologicalでUが完備という条件を課してもまだ一般には多様体上の時間バンドルとはならないという事実は動的な時空を考察するときには注意するべきことです。

 chronologicalという条件を外すともはや近多様体にすらなりません。

完備ベクトル場の軌道空間が近多様体にならない例

2次元Minkowski時空(R2,ds2=dt2+dx2)(t,x)(t+n,x+m), n,mZと同一視してトーラスにすればchronologicalでなくなる。このとき
ベクトル場U=t+αx, (0<α<1, αRQ)は完備だが、積分曲線は時空全体で稠密となり、その商空間Qには密着位相が入る。

また定理1の設定で軌道空間が多様体でない近多様体となる例として以下のものがあります。

定理1の設定で軌道空間が多様体でない近多様体となる例

 3次元Minkowski時空Min3から1点(0,0,0)を取り除いたN=Min3(0,0,0)を考える。N上のベクトル場U=λ(t,x,y)t, λ(t,x,y)C(N)は時間的なベクトル場である。λを適切な関数にするとUは完備なベクトル場になる。実際、正の滑らかな関数λを以下の図1のように定める。
関数!FORMULA[66][-430909185][0] 関数λ(x,y,t)
(x0,y0)(0,0)に対して、t0±λ1(x0,y0,t)dt±である。また、t0<0に対して、t00λ1(0,0,t)dtであり、t0>0に対しても同様であるからベクトル場Uは完備である。
 このとき、Uの軌道空間Qの点0+:=[(0,0,t)], (t>0)と点0:=[(0,0,t)], (t<0)はそれぞれ互いを含むR2の近傍と同相な近傍を持つ。

 さて、どのようなときに底空間、すなわち軌道空間が多様体となるでしょうか。その十分条件を与えるのが以下の定理2です。

timelike Killingベクトル場を持つ時空を定常時空という。またtimelikeな共形Killingベクトル場を持つ時空を共形的定常時空という。

当然、共形的定常時空は定常時空を含んでいます。また共形Killingベクトル場Uに対してスカラー関数λがあり、LUg=λgとなりますが、λの符号が一定であるとき、U単調であるということにします。

定常時空に関して少し補足しておきます。定常なら局所的に時空の計量は
g=(dt+η)2+h
と書かれます。ただし、hは局所的に任意に選ばれたspacelike hypersurface N上に誘導されたリーマン計量で、ηN上の1-form(を引き戻したもの)です。もちろんこれは局所的な表示でしかありません。時空全体で大域的に計量がこのように分解が可能かどうかは全く自明ではありません(分解するための十分条件については別のノートで扱います)。

定常時空が多様体上の(時間の)line bundleとなるための十分条件は以下です。

時空(M,g)はchronologicalかつ時間的で完備な単調共形Killingベクトル場Uが存在するとする。このときUの軌道空間Qは多様体(paracompact Hausdorff位相空間)であり、MQ上のprincipal line bundleである。ただしそのファイバーはUの積分曲線である。

定理2の証明

 定理1より軌道空間QがHausdorffであることを示せばよい。
 LUg=λg, λ>0とし、Uが生成する1パラメータ変換群をϕtとすると、pMに対して、(ϕtg)p=L(p,t)gp, L(p,t):=exp0tλ(ϕs(p))dsである。なぜなら、任意のXpTpM[U,X]=0となるように拡張すると、ddt||X(ϕt(p))||2=λ(ϕt(p))||X(ϕt(p))||2となるからである。またt<0ならL(p,t)1である。
 リーマン計量h=g+2||U||2UUに対してLUh=λhとなることが簡単に確認できる。
 π:MQとし、2点p,qMに対して、π(p)π(q)の任意の近傍が共通部分を持つとする。すなわち任意のεに対して、Uのある軌道γ(t)があり、γ(tp)Bε(p), γ(tq)Bε(q)となる。このときtp>tqとしてよい。ただし、距離はhで図るものとする。
 上の事実(t<0ならL(p,t)1)より、||γ(tq)ϕtqtp(p)||h<εであるから、||qϕtqtp(p)||h<2εである。
 これはpを通るUの軌道がqの任意の近傍を通ることを示している。従ってπ(p)π(q)の任意の近傍に含まれる。Qは局所ユークリッドな近傍を持つからπ(p)=π(q)である。

証明の模式図 証明の模式図

定理2の

定理2の設定において、MR×Qであり、gと共形同値な計量g¯UがKillingベクトル場となるが存在する。

 多様体上のprincipal line bundleには大域的な滑らかな切断が存在する([Kobayashi,Nomizu] Theorem I.5.7)ことから、MR×Qとなる。この滑らかな切断をQと同一視する。
 M上の関数φC(M)Uφ=λを満たすものが存在する。実際、M=R×QQ上の初期条件から偏微分方程式Uφ=λM全体で一意的に解を持つ。
 g¯=eφgとすると、LUg¯=eφ(Uφ+λ)g=0となり、g¯に関してUはKillingベクトル場である。

これでchronologicalで単調な共形的定常時空であればある多様体Q上の時間バンドル(直積バンドル)として時空R×Qと表せることが分かりました。また系より共形的定常時空ではなく単に定常時空を考えれば十分であることも分かりました。しかしこの多様体Qを“空間”と解釈することはまだできません。というのもQに微分同相なMの部分多様体で誘導計量が正定値となるものが存在するかどうかはまだ証明されていないからです。実は上の定理の設定では正定値となることは一般には成り立たないのです。このことに関してはまた別のノートでまとめることにします。

参考文献

[1]
Kobayashi, Nomizu, Foundations of Differential Geometry Volume I
[2]
S.Helgason, Differential Geometry, Lie Groups, and Symmetric Spaces
[3]
Steven Harris, Conformally stationary spacetimes, Class. Quantum Grav. 9 (1992) 1823-1827
[4]
Richard S. Palais, On the Existence of Slices for Actions of Non-Compact Lie Groups, Annals of Mathematics, Second Series, Vol. 73, No. 2 (Mar., 1961), pp. 295-323
投稿日:202212
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Submersion
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専門は相対論やLorentz幾何です。Einstein系の厳密解の構成や接触幾何の応用などの研究をしています。Ph.D保有者の中ではクソ雑魚の部類です。

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