Geometría intrínseca vs extrínseca y singularidades gravitacionales (como la singularidad del anillo de Kerr)

Solo estoy siguiendo mi curiosidad aquí. Siéntete libre de corregirme y señalarme en una mejor dirección. (Las buenas referencias y la explicación de lo que se sabe y lo que no aumenta en gran medida las probabilidades de que se acepte una respuesta). A continuación, cuando digo "singularidad", me refiero a una singularidad gravitacional , no a un horizonte de eventos, que se caracteriza aproximadamente por:

Los teoremas de singularidad de Penrose-Hawking [que] definen una singularidad para tener geodésicas que no se pueden extender de manera suave. La terminación de tal geodésica se considera la singularidad.

Además, en cuanto a las singularidades de curvatura:

De manera más general, un espacio-tiempo se considera singular si es geodésicamente incompleto , lo que significa que hay partículas en caída libre cuyo movimiento no se puede determinar más allá de un tiempo finito, siendo posterior al punto de alcanzar la singularidad.

Siéntase libre de especificar respuestas a singularidades de curvatura, en lugar de "singularidades gravitacionales" como un todo.

Mis preguntas:

  1. ¿Existe una distinción formal entre geometría intrínseca y extrínseca para una singularidad gravitacional? ¿Requiere esto topología, en lugar de geometría diferencial? ¿Es por definición que es imposible obtener la geometría intrínseca de una singularidad?

  2. ¿Por qué la métrica de un espacio-tiempo puede informarnos sobre la geometría extrínseca de una singularidad gravitatoria, pero no sobre la geometría intrínseca? ¿Está esto relacionado con la diferencia entre las propiedades que dependen solo de la "variedad abstracta" frente a las propiedades que dependen de una incrustación de la variedad (ver el último párrafo de la respuesta de Michael Weiss)?

El ejemplo que me hizo preguntar es la métrica de Kerr, la solución a las ecuaciones de Einstein con axisimetría, que posee masa y momento angular de espín. Es un resultado común en los libros de texto GR que la singularidad gravitatoria tiene una estructura de anillo .

En la parte inferior de la página 8 de este documento, dicen:

Por supuesto, en términos de la geometría "completa", especificada por la métrica física gramo a b , la geometría intrínseca de la singularidad de la curvatura es, inevitablemente y por definición, singular.

y en la página 28:

Pero al igual que la afirmación de que la singularidad es un "anillo", esta no es una afirmación sobre la geometría intrínseca; es más bien una afirmación sobre el espacio plano de Minkowski matemáticamente conveniente pero ficticio que es tan útil para analizar la forma de Kerr-Schild de la Espacio-tiempo de Kerr.

Entonces, ¿la razón por la cual los autores citados arriba afirman que el anillo muestra la geometría extrínseca de la singularidad porque el anillo es una propiedad de la variedad que depende de la incrustación utilizada? En caso afirmativo, ¿alguna incrustación muestra el anillo, o solo algunas? ¿Cuál es la incrustación en este caso que muestra el anillo?

  1. Por último, ¿cuál es aquí el papel de una extensión máxima de una continuación analítica de un espacio-tiempo?

Para volver a tomar a Kerr como ejemplo, la región del disco singular del anillo puede hacerse regular, reduciendo la singularidad gravitacional a una región más pequeña ( no necesariamente un punto , es complicado). ¿Es esta continuación analítica un ejemplo de elegir una incrustación diferente donde la región del disco ya no es regular? ¿O estoy destrozando esto por completo? Pido disculpas si esta pregunta es cruda, pero estoy llegando al límite de mis conocimientos matemáticos.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .

Respuestas (1)

No estoy seguro de si existe una definición universalmente aceptada de singularidad y, cuando importa, probablemente se especifique con cuidado.

Sin embargo, en general, una singularidad gravitacional es un punto del espacio-tiempo donde diverge una cantidad escalar construida a partir del tensor de curvatura (usted quiere una cantidad escalar para no obtener singularidades debido a una mala elección de coordenadas).

Desde un punto de vista matemático, en lugar de trabajar con cantidades divergentes, a menudo se prefiere eliminar del espacio-tiempo METRO el punto en el que se produce la divergencia. Esto generalmente conduce a una variedad (geodésica) incompleta: hay geodésicas que terminan en un tiempo propio finito.

La incompletitud parece una buena manera de codificar la noción de singularidad, sin embargo, no desea incluir aquellos casos en los que la variedad está incompleta solo porque está omitiendo una parte. Inextensible pero incompleto puede capturar al menos una buena parte de esos espacio-tiempos que quieres considerar singulares. No estoy seguro de hasta qué punto tiene éxito, pero parece un buen punto de partida.

casos en los que la variedad está incompleta solo porque estás omitiendo una parte de ella ” - Cuando el espacio-tiempo puede extenderse matemáticamente a través de una singularidad coordinada, no se da por sentado que la extensión existe en la realidad. Hay pocas dudas de que la extensión máxima de Kruskal del espacio-tiempo de Schwarzschild o los universos alternativos dentro de un agujero negro de Kerr no son reales.
@safesphere ¿Es su oración "Hay poca duda..." quizás bastante fuerte? Podría haber esperado "No hay una interpretación física actual de..." o algo así...
Creo que la extensión máxima de Schwarzschild y Kerr se consideran no físicas ya que los agujeros negros se forman en el colapso de estrellas, mientras que estas soluciones corresponderían a agujeros negros que "siempre han estado ahí". También son un poco extraños (por ejemplo, para el caso de Schwarzschild, obtienes un agujero blanco correspondiente), por lo que "se siente bien" excluir las partes extrañas. Pero estoy de acuerdo en que "hay pocas dudas" se siente fuerte, no conozco ningún resultado que los excluya.
(continuación) También me imagino que cualquier solución físicamente relevante de las ecuaciones de Einstein se esperaría que fuera inextensible, ya que terminar abruptamente algo que puede extenderse se siente antinatural tanto por motivos matemáticos como físicos: un principio invocado a menudo en física es que todo lo que no es explícitamente ocurrirá algo prohibido por alguna simetría o ley de conservación". De todos modos, no soy un experto en este tema.
No veo cómo esto responde a ninguna de mis preguntas, con el debido respeto. Esto realmente parece un comentario en lugar de una respuesta.