نرم افزار: سیستم ها: محاسبات علمی

تکنیک های توپولوژی دیفرانسیل در نسبیت (سری کنفرانس های منطقه ای CBMS-NSF در ریاضیات کاربردی)

Techniques of Differential Topology in Relativity (CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics)

دانلود کتاب Techniques of Differential Topology in Relativity (CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics) (به فارسی: تکنیک های توپولوژی دیفرانسیل در نسبیت (سری کنفرانس های منطقه ای CBMS-NSF در ریاضیات کاربردی)) نوشته شده توسط «Roger Penrose»


اطلاعات کتاب تکنیک های توپولوژی دیفرانسیل در نسبیت (سری کنفرانس های منطقه ای CBMS-NSF در ریاضیات کاربردی)

موضوع اصلی: ریاضیات

نوع: کتاب الکترونیکی

ناشر: Society for Industrial Mathematics

نویسنده: Roger Penrose

زبان: English

فرمت کتاب: pdf (قابل تبدیل به سایر فرمت ها)

سال انتشار: 1987

تعداد صفحه: 82

حجم کتاب: 7 مگابایت

کد کتاب: 9780898710052 , 0898710057

نوبت چاپ: 1ST

توضیحات کتاب تکنیک های توپولوژی دیفرانسیل در نسبیت (سری کنفرانس های منطقه ای CBMS-NSF در ریاضیات کاربردی)

برای اولین بار در سال 1972 منتشر شد، قابل توجه است که این کتاب هنوز در دست چاپ است و این واقعیت نشان دهنده علاقه فعلی به قضایای تکینگی در نسبیت عام است. البته نویسنده به خاطر مشارکت‌هایش در این زمینه مشهور است و این مجموعه سخنرانی‌ها را عمدتاً برای ریاضیدانی نوشته است که تخصصش توپولوژی دیفرانسیل است و در مورد کاربردهای آن در نسبیت عام کنجکاو است. نویسنده در این کتاب به تصاویر می اندیشد و بنابراین برای خواننده فیزیکدان نیز مناسب است. دلایل تفصیلی برای قضایای تکینگی حذف شده است، اما منابع داده شده است. از زمان انتشار این کتاب کار و بحث زیادی صورت گرفته است، اما هنوز هم می تواند مقدمه ای برای تحولات مدرن باشد.

بخش 1 تعاریف و قراردادهای ریاضی مورد استفاده در بخش‌های بعدی را تنظیم می‌کند. فضا-زمان به عنوان یک منیفولد هاسدورف صاف متصل واقعی و چهاربعدی تعریف می‌شود که بر روی آن یک متریک لورنتسی غیرمنحط صاف جهانی تعریف شده است. علاوه بر این، فرض بر این است که فضازمان زمان‌گرا است، که محدودیت زیادی نیست زیرا همانطور که نویسنده اظهار می‌کند، همیشه می‌توان یک پوشش دوگانه زمان‌گرا از فضازمان پیدا کرد. میدان‌های ژاکوبی نیز معرفی شده‌اند، با این هدف که در نهایت از آنها برای مطالعه ژئودزیک حداکثر استفاده شود. نویسنده که برای فیزیکدانان به عنوان معادله انحراف ژئودزیک شناخته می شود، معادله ژاکوبی را استخراج می کند که راه حل های آن یک فضای برداری 8 بعدی از میدان های ژاکوبی را تشکیل می دهد.

در بخش 2، نویسنده تعاریفی را ارائه می‌کند که به فرد امکان می‌دهد درباره علیت و ترتیب زمانی منحنی‌های فضازمان بحث کند. انواع خاصی از منحنی‌های غیرهموار، به نام سفر، که (تکه‌ای) ژئودزیک‌های زمان‌مانند آینده‌گرا هستند، برای تعریف ترتیب زمانی نقاط در فضازمان استفاده می‌شوند. سفرهای علّی محدودتر هستند، زیرا منحنی ها ژئودزیک علّی هستند. ترتیب زمانی نشان داده شده است که دلالت بر ترتیب علّی دارد، و هر دو ترتیب متعدی نشان داده می شوند. این امکان تقسیم فضازمان به آینده و گذشته زمانی و آینده و گذشته علی را فراهم می کند. خواص توپولوژیکی این مجموعه‌ها مورد مطالعه قرار می‌گیرد و شرایط از نظر ژئودزیک تهی و منحنی‌های زمانی برای ترتیب علّی و زمانی ارائه می‌شوند.

بخش بعدی ویژگی های مجموعه های آینده و گذشته را در نظر می گیرد. مجموعه آینده (گذشته) مجموعه ای است که برابر است با آینده (گذشته) زمانی مجموعه ای در فضازمان. علاوه بر این، زیرمجموعه هایی از فضازمان که حاوی هیچ نقطه ای نیستند که از نظر زمانی با هم مرتبط باشند، مجموعه های آکرونال نامیده می شوند و زیر مجموعه هایی که مرز هستند در نظر گرفته می شوند. نشان داده شده است که فضا-زمان را می توان به عنوان اتحاد مجزا از یک مرز ناهموار، و یک مجموعه گذشته و آینده منحصر به فرد نوشت. همچنین نشان داده شده است که مرزهای آکرونال اجرام نسبتاً خوبی هستند: آنها منیفولدهای توپولوژیکی سه بعدی هستند.

برای رد فضازمان‌های «آسیب‌شناختی» که حاوی سفرهای بسته یا سفرهای علّی بسته هستند، نویسنده شرایط علیت جهانی را در بخش 4 مطالعه می‌کند. بنابراین نویسنده فضازمان را آینده (گذشته) تعریف می‌کند – در صورتی که برای هر دو متمایز از یکدیگر متمایز شود. نقاط، مجموعه های زمانی (گذشته) آینده آنها نابرابر است. سپس اگر هر نقطه در آن محله‌های محدب علّی خودسرانه کوچکی داشته باشد، فضازمان را به‌شدت علی تعریف می‌کند (به‌معنی محدب علیت به این معنا که سفری را در مجموعه‌ای از هم قطع نمی‌کند). نویسنده مثال‌هایی ارائه می‌کند تا نشان دهد که می‌توان از نقض محلی تحدب علی اجتناب کرد، و بنابراین نقض علیت قوی در یک نقطه به دلیل ساختار جهانی فضازمان است. او نشان می دهد که یک فضازمان که به شدت در یک نقطه علیت دارد باید در آن نقطه آینده و گذشته متمایز شود. عکس آن درست نیست و نویسنده مثالی متضاد می‌زند. توپولوژی الکساندروف برای فضازمان نیز در این بخش تعریف شده است. با توجه به دو نقطه در فضازمان، مبنایی برای مجموعه‌های باز برای این توپولوژی با تقاطع مجموعه آینده زمانی یک نقطه با مجموعه گذشته زمانی نقطه دیگر ارائه می‌شود. نویسنده نشان می‌دهد که اگر توپولوژی الکساندروف با توپولوژی چندگانه برابر باشد، فضازمان به شدت علی است، اگر توپولوژی الکساندروف هاوسدورف باشد. نویسنده با تعریف یک نقطه باطل به نقطه ای که از طریق آن یک سفر بسته می گذرد، و تمرکز توجه بر مجموعه همه نقاط باطل، پنج شرط برای شکست علیت قوی در یک نقطه ارائه می کند که این شرایط شامل مرز مجموعه نقاط باطل است. . او این بخش را با نشان دادن اینکه اگر فضازمان فشرده است، باید شامل یک سفر بسته باشد، به پایان می‌رساند.

با انگیزه مفهوم مجموعه مقدار اولیه از ملاحظات فیزیکی، نویسنده در بخش بعدی حوزه‌های وابستگی را برای زیرمجموعه‌های ناهمسان فضازمان، همراه با افق آینده، گذشته یا کل کوشی برای زیر مجموعه‌های آکرونال بسته تعریف می‌کند. اینها به ابرسطحهای آشنای کوشی از نظریه معادلات دیفرانسیل جزئی مربوط می شوند. ثابت شده است که اگر یک ابرسطح کوشی برای آن وجود داشته باشد، فضازمان در سطح جهانی هذلولی است.

فضای منحنی های علی در قسمت بعدی تعریف می شود


First published in 1972, it is remarkable that this book is still in print, and this fact attests to the current interest in singularity theorems in general relativity. The author of course is well-known for his contributions in this area, and he has written these series of lectures primarily for the mathematician whose speciality is differential topology, and who is curious about its applications to general relativity. The author thinks in pictures in this book, and so it is well-suited for the physicist reader also. Detailed proofs are omitted for the singularity theorems, but references are given. Much work and discussion has taken place since this book was published, but it can still serve as an introduction to modern developments.

Section 1 sets the mathematical definitions and conventions used in the later sections. Spacetime is defined as a real, four-dimensional connected smooth Hausdorff manifold on which is defined a global smooth nondegenerate Lorentzian metric. In addition, it is assumed that spacetime is time-orientable, which is not too big a restriction since as the author remarks, one can always find a time-orientable twofold covering of spacetime. Jacobi fields are introduced also, with the goal of eventually using them to study maximal geodesics. Known to physicists as the equation of geodesic deviation, the author derives the Jacobi equation, the solutions of which form an 8-dimensional vector space of Jacobi fields.

In section 2, the author gives definitions that allow one to discuss causality and time ordering for curves on spacetime. Special types of non-smooth curves, called trips, which (piecewise) are future-oriented timelike geodesics, are used to define a chronological ordering of points on spacetime. Causal trips are more restrictive, in that the curves are causal geodesics. The chronological ordering is shown to imply causal ordering, and both orderings are shown to be transitive. This allows the partitioning of spacetime into chronological future and past, and causal future and past. The topological properties of these sets are studied, and conditions are given in terms of null geodesics and timelike curves for causal and chronological ordering.

The next section considers the properties of future and past sets. A future (past) set is one that is equal to the chronological future (past) of some set in spacetime. In addition, subsets of spacetime that do not contain any points that are chronologically related, called achronal sets, and subsets that are boundaries are considered. It is shown that spacetime can be written as the disjoint union of an achronal boundary, and a unique past and future set. It is also shown that achronal boundaries are fairly well-behaved objects: they are 3-dimensional topological manifolds.

In order to rule out “pathological” spacetimes that contain closed trips or closed causal trips, the author studies global causality conditions in section 4. Thus the author defines a spacetime to be future (past)-distinguishing if for any two distinct points, their chronological future (past) sets are unequal. He then defines a spacetime to be strongly causal if every point in it has arbitrarily small causally convex neighborhoods (causally convex meaning that it does not intersect a trip in a disconnected set). The author offers examples to show that local violations of causal convexity can be avoided, and so violations of strong causality at a point are due to the global structure of the spacetime. He shows that a spacetime which is strongly causal at a point must be future and past distinguishing at the point. The converse is not true, and the author gives a counterexample. The Alexandrov topology for spacetime is defined in this section also. Given two points in spacetime, a basis for the open sets for this topology is given by the intersection of the chronological future set of one point with the chronological past set of the other. The author shows that spacetime is strongly causal iff the Alexandrov topology equals the manifold topology iff the Alexandrov topology is Hausdorff. Defining a vicious point to be one through which passes a closed trip, and concentrating attention on the set of all vicious points, the author gives five conditions for strong causality to fail at a point, these conditions involving the boundary of the set of vicious points. He concludes the section by showing that if spacetime is compact, it must contain a closed trip.

Motivated by the notion of an initial value set from physicial considerations, the author defines in the next section domains of dependence for achronal subsets of spacetime, along with the future, past, or total Cauchy horizon for closed achronal subsets. These are related to the familiar Cauchy hypersurfaces from the theory of partial differential equations. It is proven that spacetime is globally hyperbolic iff a Cauchy hypersurface exists for it.

The space of causal curves is defined in the next section, on which is defined the C0-topology. It is shown to be compact under certain conditions. The study of geodesics as curves of maximal length is taken up in section 7. This entails matters of a more purely differential geometric point of view. The important inequality involving the Ricci curvature and an element of volume (or area) on a hypersurface. The author discusses briefly the importance of this inequality in the singularity theorems.

The last section is (unfortunately) very brief, wherein the author discusses the applications of the preceeding sections in singularity theorems. Referring to S. Hawking for the full proof, he gives a general argument and discusses the conditions as to when spacetime will have a past-endless geodesic in M which has a finite length. He defines a future-trapped set as one where the “future horizon” of the set, defined as the difference between its causal and chronological future, is compact. He then outlines a proof of the result that no spacetime can have the property that it contain no closed trips, have endless causal geodesics containing a pair of conjugate points, and contain a future-trapped set.

دانلود کتاب «تکنیک های توپولوژی دیفرانسیل در نسبیت (سری کنفرانس های منطقه ای CBMS-NSF در ریاضیات کاربردی)»

مبلغی که بابت خرید کتاب می‌پردازیم به مراتب پایین‌تر از هزینه‌هایی است که در آینده بابت نخواندن آن خواهیم پرداخت.