leblon: (farns)
[personal profile] leblon
Я тут время от времени подумываю над таким метафизическим вопросом: почему в теории относительности пространство-время имеет псевдориманову метрику, и является ли эта формальная математическая структура фундаментальной, или это некое приближение, или эффективное описание, чего-то более интуитивного.

Why is it an interesting question to think about? On one hand, one needs metric to write down the equations of motion in field theory (whether classical or quantum), so if not metric, then what? On the other hand, there are various indications that something is fishy here.

(1) Despite many attempts, it appears impossible to interpret the Beckenstein-Hawking entropy of a black hole as an entaglement entropy for fields propagating in a black hole background. The problem is, this entaglement entropy is infinite even for the vacuum state of a free field in Minkowski space. It seems that one needs some sort of minimal length of order of the Planck length, but this is impossible to achieve within the framework of pseudoriemannian geometry.

(2) The metric is not directly measurable. What is measurable, for a single observer, is proper time along his/her worldline. That is, lengths of time-like curves. Lengths of space-like curves are not directly measurable. It would be nice to reformulate field theory using measurable things only. In particular, note that the lenghts of time-like geodesics in Minkowski space satisfy the opposite of the triangle inequality. Why is that?

(3) The causal structure is directly measurable, in the sense that the position of light-cones can be deduced by asking ourselves which observables (anti)-commute.

(4) In view of (2) and (3), it is not clear why the usual topology on Minkowski space is the most physically relevant one. One would expect the weakest topology such that all causal (i.e. time-like or light-like) curves are continuous to play some role too. Geometric data should be natural from the point of view of this topology, not the usual one.

(4') The Minkowski space with the topology from (4) is not paracompact, if I remember correctly. Is this a problem? Not sure. The partition of unit is not all that useful in any case, since one cannot use it to construct pseudoriemannian metrics (and in fact, unlike in the riemannian case, not all smooth manifolds admit -pseudoriemannian metrics).

(5) It would be great to resurrect the Mach principle and somehow regard the geometry of space-time as the way of organizing our experiences. Then both causal and metric structures should be emergent, not fundamental. The causal structure is "easy" (see (3)), but what about the metric? In view of (3), one needs to interpret the proper time along time-like curves in terms of experiences of a system of observers which can communicate between each other.  In particular, is there some natural interpretation of the anti-triangle inequality as some sort of consistency condition?

(6) What is the role of quantum mechanics in all this? Causal structure has to do with commutators of observables, which a quantum notion. What about the metric structure? If geometry is really emergent, what is the physical meaning of the Planck length? The ER=EPR paper seems relevant here.

(no subject)

Date: 2015-06-24 03:00 pm (UTC)
From: [identity profile] xgrbml.livejournal.com
В физике я ни бельмеса, но на вопрос (2) вроде как есть математический ответ. Если мы знаем длины всех временноподобных кривых, то в каждой точке мы знаем световой конус - а значит, и метрику с точностью до умножения на константу. Что узнать значение константы, измерим махонький интервальчик, начинающийся с этой точки.

(no subject)

Date: 2015-06-24 05:20 pm (UTC)
From: [identity profile] leblon.livejournal.com
Это правда при условии, что времениподобные кривые (т.е. кривые, по которым движутся наблюдатели) возникают из псевдоримановой метрики. Вопрос в том, почему это так. Для простоты предположим, что в каждой точке есть конус скоростей наблюдателей. Далее, на этом конусе есть функция длины (однородная степени 1). По моему, этого недостаточно, чтобы получить метрику, если не знать заранее, что эта самая функция - квадратный корень из квадратичной функции на том же конусе.

(no subject)

Date: 2015-06-24 06:24 pm (UTC)
From: [identity profile] xgrbml.livejournal.com
Для метрики указанного достаточно, но псевдоримановой она при этом быть не обязана, согласен.

(no subject)

Date: 2015-06-24 07:28 pm (UTC)
From: [identity profile] leblon.livejournal.com
А что такое метрика "вообще"? Я знаю, что метрики бывают (1) римановы; (2) псевдоримановы; (3) финслеровы. Финслерова обобщает риманову, сохраняя неравенсто треугольника. Наверное, аналогично можно попробовать обобщить псевдориманову, сохраняя неравентсво антитреугольника. Но откуда возьмется это самое неравенство?

(no subject)

Date: 2015-06-24 08:13 pm (UTC)
From: [identity profile] xgrbml.livejournal.com
Ох, и это верно. Я мысленно представлял себе финслерову, но тут все хуже, конечно.

(no subject)

Date: 2015-06-24 03:13 pm (UTC)
From: [identity profile] juan-gandhi.livejournal.com
Wow.

Well, it's 21st century now; maybe it's time to move on from locally euclidian manifolds over R (which R, by the way)...

(no subject)

Date: 2015-06-24 04:28 pm (UTC)
From: [identity profile] flying-bear.livejournal.com
Забавно, что последние два месяца напряженно думаю о роли proper time в нашей формулировке КМ. Похоже, это абсолютно необходимо при выводе релятивистских волновых уравнений.

(no subject)

Date: 2015-06-24 05:25 pm (UTC)
From: [identity profile] leblon.livejournal.com
Мне кажется, КМ должна допускать формулировку, где нет выделенной координаты времени, а есть свобода параметризовать его как угодно. Далее, хотелось бы обращаться со временем как с еще одной физической наблюдаемой, которую можно "смешивать" с другими наблюдаемыми (например, с пространственными координатами). Обычная формулировка КМ этому требованию не удовлетворяет.

Кстати, в рамках КМ обычно не любят обсуждать неинерциальные системы отсчета. Интересно, почему. Ведь в классической механике с этим нет особой проблемы.

(no subject)

Date: 2015-06-24 05:35 pm (UTC)
From: [identity profile] flying-bear.livejournal.com
И в квантовой нет. В нашей книге с С.В. (Quantum Solid State Physics) решается задача про силы инерции (явно показано, что они эквивалентны электростатическому потенциалу). А сделал это давным-давно Дарвин (которого поправка Дарвина в полурелятивистской теории). Но, действительно, почти нигде это не обсуждается.

(no subject)

Date: 2015-06-24 05:44 pm (UTC)
From: [identity profile] leblon.livejournal.com
А про вращающуюся систему отсчета там есть?

(no subject)

Date: 2015-06-24 05:55 pm (UTC)
From: [identity profile] flying-bear.livejournal.com
У Дарвина (и у нас) нет. Но есть, даже в Ландау-Лифшице, про ларморовскую прецессию - что вращение эквивалентно магнитному полю (то есть, что кориолисова сила есть сила Лоренца). Это широко известно, например, обсуждают аналог квантового эффекта Холла во вращающихся нейтральных ультрахолодных газах.

(no subject)

Date: 2015-06-25 07:07 pm (UTC)
From: [identity profile] leblon.livejournal.com
А где это в Ландау-Лифшице? Вроде, ни в 3м (QM), ни в 5м (Stat.mech. part 1) томе нет.

(no subject)

Date: 2015-06-28 03:45 am (UTC)
From: [identity profile] physicist1.livejournal.com
2т. Ландау-Лифшица. Ч.2 - Гравитационное поле.
Ненулевые g_0i - означают вращение- есть соотв. параграф.
Стационарное гравитационное поле - грави-магнитное поле - тоже есть соответствующий параграф с таким названием.

(no subject)

Date: 2015-06-30 02:12 pm (UTC)
From: [identity profile] leblon.livejournal.com
Я имел в виду квантовый случай, а не классический.

(no subject)

Date: 2015-08-17 11:31 pm (UTC)
From: [identity profile] nirowulf.livejournal.com
Здравствуйте, [livejournal.com profile] leblon.

В 3 томе Ландафшица действительно этого нет. Думаю,всё же имелся в виду 2 том "Теория поля", параграф 45 "Теорема Лармора".

Есть хороший сборник, (http://gen.lib.rus.ec/book/index.php?md5=43bf8166e3c0e1ca9577cf8ba69f65a4) посвящённый вопросу о вращающейся системе отсчёта в теории относительности. Так вот там есть 2 главы, в которых затрагивается и квантовая механика, в частности, глава 17 "Quantum mechanics in a rotating frame".

(no subject)

Date: 2015-06-24 05:31 pm (UTC)
From: [identity profile] peter renkel (from livejournal.com)
If I understand you correctly.
(1) Does anybody say that the on scales below Planck length, metric is defined? I don't know anything in this field, but g_{\mu\nu} is an operator, and (any) classical metric is emergent.
(2) Why do you want to reformulate field theory using only measurables? E.G. wave function (or density matrix) is not directly measurable. As long as you start measuring it, it collapses (or whatever equivalent you choose), and you don't know it (well, not sure about weak measurements though). Measurables might not be easy objects to work with.

Isn't it correct to say that at any scale below Planck scale, Pseudo-Riemann metric is a good approximation, and no experiments will find out what is more general theory. What about experiments related to Black Holes?

(no subject)

Date: 2015-06-24 05:51 pm (UTC)
From: [identity profile] leblon.livejournal.com
(1) The fact that something is an operator does not mean that it is emergent. Its eigenvalues are still well-defined, if the operator is well-defined. Emergence means that the notion itself is approximate and appears in some effective description valid below a certain scale. Many people expressed doubts that metric is a well-defined operator in the fundamental theory.

(2) Reformulating the theory in terms of things which are measurable may help identify a problem in the foundations. Currently, the problem of black hole entropy is unsolved, perhaps a solution lies in relaxing assumptions about the geometry of space-time (namely, that is locally Minkowskian) ? Thinking about what is measurable may help to either rule out this possibility, or find a proper generalization of the notion of a pseudoriemannian space-time.

(no subject)

Date: 2015-06-24 11:59 pm (UTC)
From: [identity profile] peter renkel (from livejournal.com)
There is one thing that worries me. We extrapolate GR and quantum theory all the way up to Planck scale (and even beyond). But no experiments are devised to check our assumptions (apart from Beckenstein's recent proposal). How do we know that notions of metric (or vierbeins) (GR), density matrix (QM) and path integrals (QM) can be applied at all these intermediate scales? The fact that we see no apparent theoretical issues (don't we - what about QM measurement problems - say EPR?) doesn't necessarily mean that everything is good.

So the black hole entropy problem might be not relevant because our general model is not QM + GR at lower scales than Planck scale.

(no subject)

Date: 2015-06-25 10:15 am (UTC)
From: [identity profile] vk-physics.livejournal.com
"The fact that we see no apparent theoretical issues (don't we - what about QM measurement problems - say EPR?) doesn't necessarily mean that everything is good."

IMHO, GR has itself severe problems, black hole solution is one of them. When everything is attracting and collapsing - it is not very physical. In Classical Electrodynamics there is also a problem of self-action of a point-like charge leading to non physical solutions. It means the theory formulation is not correct physically. Mass renormalization in CED leaves a wrong "radiation reaction" term (jerk) - with self-accelerating solutions. What is the radiation reaction term in GR and what solutions does it produce? Nobody knows. It is too early to accept GR as a self-consistent theory, unfortunately.
Edited Date: 2015-06-25 10:18 am (UTC)

(no subject)

Date: 2015-06-25 12:29 pm (UTC)
From: [identity profile] peter renkel (from livejournal.com)
Thanks a lot! I didn't know that. Is it a conceptual problem or our inability to solve Einstein field equations precisely?

(no subject)

Date: 2015-06-25 03:22 pm (UTC)
From: [identity profile] peter renkel (from livejournal.com)
Thanks a lot! I didn't know that. Is it a conceptual problem or our inability to solve Einstein field equations precisely?

(no subject)

Date: 2015-06-25 06:25 pm (UTC)
From: [identity profile] vk-physics.livejournal.com
What I know is that Einstein equations were solved approximately for the radiating case. I am not in this business, but I suspect that nobody manged to derive the radiation reaction force exactly, like in CED, and analyze its effects. Such a derivation is not a conceptual problem of GR, but rather technical, I guess. The conceptual problem of GR is similar to that of CED - it is self-action when a point-like source acts on itself.

(no subject)

Date: 2015-06-24 08:54 pm (UTC)
From: [identity profile] vk-physics.livejournal.com
И всё это, чтобы заткнуть черную дыру?

Конечно, метрика есть классическое понятие, получающееся из квантового описания как инклюзивная (средняя) картина. Она подразумевает множественные наблюдения и множество наблюдателей, не мешающих наблюдаемому явлению. Любая теория (QМ или СМ) должна выдавать ее на гора, как инклюзивную картину, но уравнения для "ненаблюдаемых" величин могут быть и не обязательно "ковариантными".
Edited Date: 2015-06-24 09:28 pm (UTC)

исчезновение волны

Date: 2015-06-25 01:15 pm (UTC)
From: [identity profile] physicist1.livejournal.com
А если для начала не объяснить, а описать?
Взять лагранжиан, зависящий от сигнатуры как параметра порядка (аналогично теории Ландау фазовых переходов второго рода). И вариацией получить сигнатуру Минковского.

Или (раз Вы уж переключились т.т.) рассмотреть метаматериал, в котором при разных внешних условиях (температуре и давлении) будет разная сигнатура. Тогда можно будет наблюдать, как при изменении т. или д. будет исчезать волна с появлением разных неустойчивостей. Веселаго (и до него) полвека назад не побоялся же рассмотреть отрицательный показатель преломления.

Re: исчезновение волны

Date: 2015-06-25 04:38 pm (UTC)
From: [identity profile] leblon.livejournal.com
В принципе, я могу себе представить, что "раствор" светового конуса меняется от точки к точке так, что где-то он раскрывается до всего касательного пространства (там скорость света бесконечна), а где-то схлопывается до прямой (там скорость света равна нулю).

(no subject)

Date: 2015-06-28 05:52 am (UTC)
From: [identity profile] greygreengo.livejournal.com
может дело вовсе не в количестве размерностей?

(no subject)

Date: 2015-06-30 02:13 pm (UTC)
From: [identity profile] leblon.livejournal.com
Если начать с размерности 1, то никаких проблем нет, потому что и гравитации нет :)

(no subject)

Date: 2015-07-01 02:08 am (UTC)
From: [identity profile] greygreengo.livejournal.com
чего не скажешь например о размерности 0.5

(no subject)

Date: 2015-07-11 08:33 am (UTC)
From: [identity profile] beotia [lj.rossia.org] (from livejournal.com)
Вы скорее всего это видели, но вот тут: http://math.ucr.edu/home/baez/penrose/Penrose-AngularMomentum.pdf метрика является пределом какой-то структуры на графах.
Page generated Feb. 13th, 2026 11:15 am
Powered by Dreamwidth Studios