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
時空はchronologicalとし、を完備な時間的ベクトル場とする。の軌道空間をとすると、はの積分曲線をファイバーとする近多様体上の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。の軌道空間とは時空に同一の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
の生成する1パラメータ変換群をとする。のへの作用をで定める。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、任意の点に対して、の近傍があって、十分大きいに対して、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。
は未来向きであるとして一般性を失わない。任意の点の小さい近傍をとする。に任意にリーマン計量を入れ、に関する半径、中心の測地球をと書くことにする。実数を任意に選び固定する。に対して、を満たすように関数を定める。とし、とすると、任意の2点に対して、である。
と十分大きいに対して、はと交わらない。なぜなら、もし交わるとすれば、あるに対して、となるが、の作り方からとなり、からへの未来向き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)。
上の処方をに対しても行っての近傍で十分小さいに対して、となるものが取れる。
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2
時空がchronologicalで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時空を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時空から1点を取り除いたを考える。上のベクトル場は時間的なベクトル場である。を適切な関数にするとは完備なベクトル場になる。実際、正の滑らかな関数を以下の図1のように定める。
関数
に対して、である。また、に対して、であり、に対しても同様であるからベクトル場は完備である。
このとき、の軌道空間の点と点はそれぞれ互いを含む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ベクトル場に対してスカラー関数があり、となりますが、の符号が一定であるとき、は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
と書かれます。ただし、は局所的に任意に選ばれたspacelike hypersurface 上に誘導されたリーマン計量で、は上の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。
時空はchronologicalかつ時間的で完備な単調共形Killingベクトル場が存在するとする。このときの軌道空間は多様体(paracompact Hausdorff位相空間)であり、は上のprincipal line bundleである。ただしそのファイバーはの積分曲線である。
定理2の証明
定理1より軌道空間がHausdorffであることを示せばよい。
とし、が生成する1パラメータ変換群をとすると、に対して、である。なぜなら、任意のをとなるように拡張すると、となるからである。またならである。
リーマン計量に対してとなることが簡単に確認できる。
とし、2点に対して、との任意の近傍が共通部分を持つとする。すなわち任意のに対して、のある軌道があり、となる。このときとしてよい。ただし、距離はで図るものとする。
上の事実(なら)より、であるから、である。
これはを通るの軌道がの任意の近傍を通ることを示している。従ってはの任意の近傍に含まれる。は局所ユークリッドな近傍を持つからである。
証明の模式図
定理2の
定理2の設定において、であり、と共形同値な計量でが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、となる。この滑らかな切断をと同一視する。
上の関数でを満たすものが存在する。実際、と上の初期条件から偏微分方程式は全体で一意的に解を持つ。
とすると、となり、に関しては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上の時間バンドル(直積バンドル)として時空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。しかしこの多様体を“空間”と解釈することはまだできません。というのもに微分同相な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。