Великомасштабна структура простору-часу

Великомасштабна структура простору-часу (англ. The Large Scale Structure of Space-Time) — книга про з загальної теорії відносності, написана Стівеном Гокінгом і Джорджем Еллісом^[en] і вперше опублікована 1973 року. Книгу вважають класичним, хоч і досить складним підручником аспірантського рівня загальної теорії відносності.

«Великомасштабна структура простору-часу»

Автор	Стівен Гокінг і Джордж Еллісd
Назва мовою оригіналу	The Large Scale Structure of Space-Time
Мова	англійська
Тема	простір-час
Жанр	наукова література[d]
Видавництво	Видавництво Кембриджського університету
Видано	1973

Автори використовують апарат диференціальної геометрії, щоб описати структуру чотиривимірного простору-часу в цілому, природу нескінченного розширення Всесвіту, утворення чорних дір, дослідити причинність^[en] і утворення сингулярностей. Зокрема, тут представлені теореми Пенроуза — Гокінга про сингулярність^[en].

Вміст

У цій книзі Гокінг і Елліс намагаються встановити аксіоматичну основу для геометрії чотиривимірного простору-часу загальної теорії відносності й вивести її фізичні наслідки для сингулярностей, горизонтів подій і причинності^[1]. Книга складається з таких розділів:

• 1. Роль гравітації
• 2. Диференціальна геометрія
• 3. Загальна теорія відносності
• 4. Фізичне значення кривини
• 5. Точні розв'язки^[en]
• 6. Причинна структура^[en]
• 7. Задача Коші в загальній теорії відносності
• 8. Просторово-часові сингулярності
• 9. Гравітаційний колапс і чорні діри
• 10. Початкова сингулярність Всесвіту
• Додаток А: Переклад есе П. С. Лапласа
• Додаток B: Сферично-симетричні розв'язки теореми Біркгофа

Історія

Гокінг писав цю книгу, бувши постдоком у Кембриджському університеті, ґрунтуючись на своєму есе 1966 року «Сингулярності і геометрія простору-часу» (англ. Singularities and the Geometry of Spacetime)^[2], відзначеному премією Адамса^[3]. У своїй пізнішій «Короткій історії часу» 1988 року Гокінг описує книгу «Великомасштабна структура простору-часу» як «украй технічну» й незрозумілу для пересічного читача, навіть з науковою підготовкою^[4].

Книга неодноразово перевидавалася, в тому числі іншими мовами й у форматі з м'якою палітуркою. У лютому 2023 року Cambridge University Press перевидав книгу з нагоди п'ятдесятої річниці першого видання^[5].

Відгуки

Нині «Великомасштабну структуру простору-часу» вважають класичною книгою з загальної теорії відносності^[4][6]. За словами математичного фізика Джона Баеза^[en] з Університету Каліфорнії в Ріверсайді, «Великомасштабна структура простору-часу» була «першою книгою, яка містить детальний опис революційних топологічних методів, впроваджених Пенроузом і Гокінгом на початку сімдесятих»^[7].

Математик Нік Вудгаус^[en] з Оксфордського університету вважав цю книгу авторитетним трактатом, який міг би стати класикою. Він зауважив, що автори починають з геометричних та фізичних аксіом, а потім чітко виводять наслідки, досліджуючи різні добре відомі точні розв'язки рівнянь поля Ейнштейна та їх фізичний зміст. Зокрема, Гокінг та Елліс показують, що сингулярності та чорні діри виникають у великому класі розв'язків. Він попередив, що, хоча ця книга є самодостатньою, вона більше підходить для спеціалістів, а не для студентів, оскільки вона важка й не містить вправ. Він відмітив, що деякі використані поняття, такі як групи Лі, залишені без пояснень, а сучасні безкоординатні методи введені, але ніде у книзі ефективно не використані^[8].

Фізик-теоретик Райнер Сахс^[en] з Каліфорнійського університету в Берклі звертав увагу, що «Великомасштабна структура простору-часу» була опублікована приблизно в той саме час, що й «Гравітація та космологія» Стівена Вайнберга та «Гравітація» Чарльза Мізнера, Кіпа Торна й Джона Арчибальда Вілера. Він вважав, що ці три книги можуть доповнювати одна одну, виводячи студентів на передній край науки. У той час як Гокінг і Елліс широко використовують глобальний аналіз, але відносно мало говорять про пертурбативні методи, дві інші книги нехтують глобальним аналізом, але дуже детально висвітлюють теорію збурень. Сакс вважав, що Гокінг і Елліс зробили чудову роботу, узагальнивши останні розробки в цій галузі (станом на 1974 рік), і що цільовою аудиторією є аспірант або науковець із сильним математичним досвідом і попереднім знайомством із загальною теорією відносності. На його думку, ядро книги складають два розділи, розділ 4 про значення кривини простору-часу та розділ 6 про причинну структуру, і що найцікавішим додатком є передостанній розділ про чорні діри. Сакс відзначав, що математичні аргументи часом важко зрозуміти, і пропонував для довідки «Методи диференціальної топології в теорії відносності» Роджера Пенроуза. Він також помітив невелику кількість помилок, хоча жодна з них не впливає на загальні висновки, зроблені авторами^[9].

Фізик-теоретик Джон Арчибальд Вілер з Принстонського університету рекомендував цю книгу всім, хто цікавиться застосуванням загальної теорії відносності для космології, теоремами про сингулярності й фізикою чорних дір, які дуже послідовно викладені в книзі. Він критикував книгу за відсутність прикладів і вправ, але високо оцінив представлені в ній 62 ілюстративні діаграми^[10].