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Seminar on

Mathematical General Relativity

ANR project MATH-GR

Wednesday January 27, 2010

This seminar takes place at the Laboratoire Jacques-Louis Lions

175, rue du Chevaleret, 75013 Paris

Lecture room 2E01


I gave recently some lectures (Berlin, Rutgers, College Park, Miami) about the construction of local canonical foliations of observers in Einstein spacetimes of general relativity when the curvature is solely assumed to be bounded and no assumption on its derivatives is made. In this joint work with B.-L. Chen, under geometric bounds on the curvature and injectivity radius near the observer, I proved that there exist a CMC (constant mean curvature) foliation as well as CMC–harmonic coordinates. These objects are defined in geodesic balls with definite size depending only on the assumed bounds, and the components of the Lorentzian metric has optimal regularity in these coordinates. The proof combines geometric estimates (Jacobi field, comparison theorems) and quantitative estimates for nonlinear elliptic equations with low regularity.

The lectures are based on the following two papers:

B.-L. Chen and P.G. LeFloch, Injectivity radius estimates for Lorentzian manifolds, Commun. Math. Phys. 278 (2008), 679–713.

B.-L. Chen and P.G. LeFloch, Local foliations and optimal regularity of Einstein spacetimes, J. Geom. Phys. 59 (2009), 913–-941.

In this post, I review the book Partial Differential Equations in General Relativity, recently published by A.D. Rendall, in: Graduate Texts in Mathematics, vol. 16, Oxford University Press, 2008. I recommend it as an excellent source of inspiration for problems arising in general relativity. The text below has appeared in the “Gazette des Mathématiciens” of the SMF (Sociéte Française de Mathématiques) and is, therefore,… in French.

Ce livre est consacré aux aspects mathématiques de la relativité générale et en présente les développements les plus récents de manière concise. Il porte une attention particulière à la formulation des équations d’Einstein en un système hyperbolique symétrique avec contraintes couplé avec les équations d’évolution de la matière. Il est destiné aux étudiants de Mastère, tant mathématiciens que physiciens, mais sera aussi apprécié des spécialistes de la relativité générale.

Rappelons que l’inconnue principale de la théorie est une variété lorentzienne de dimension quatre, {(M,g)}, satisfaisant aux équations

\displaystyle G_{\alpha \beta} + \Lambda \, g_{\alpha \beta} = 8 \pi \, T_{\alpha\beta},

reliant le tenseur de courbure d’Einstein {G_{\alpha \beta}} au tenseur de moment-énergie de la matière {T_{\alpha\beta}}. Le scalaire {\Lambda} représente la constante cosmologique de l’espace-temps, et les indices {\alpha, \beta} varient de {0} à {3}. (Par exemple, dans le vide le tenseur de courbure de Ricci d’une telle variété est identiquement nul.) Pour formuler le problème, on se donne une variété riemannienne de dimension trois {(N,h)} munie d’un champ de {2}-tenseurs symétriques {K}. On cherche alors une variété lorentzienne (un développement maximal) satisfaisant aux équations d’Einstein avec la contrainte que {(N,h)} est isométriquement plongée dans {(M,g)} et admet {K} comme deuxième forme fondamentale.

Les deux premiers chapitres présentent les bases incontournables de la relativité générale d’un point de vue à la fois physique et mathématique: notions de géométrie lorentzienne, théorèmes d’incomplétude de Penrose et de Hawking, feuilletages {3+1}, et décompositions des équations d’Einstein.

L’auteur entre dans le vif de son sujet en mettant en parallèle différents modèles de matière: équations d’ondes pour les champs scalaires (à valeurs réelles ou à valeurs dans une variété), équations de Maxwell de l’électro\-magné\-tisme, équations de Yang-Mills, équations d’Euler des fluides compressibles et équation de Vlasov de la théorie cinétique des fluides raréfiés. Pour chacun de ces modèles, un Lagrangien détermine l’expression du tenseur de moment-énergie {T_{\alpha \beta}} en fonction de la métrique lorentzienne et des variables physiques décrivant l’état de la matière.

Peu de résultats sont disponibles dans la littérature à ce niveau de généralité, et, le plus souvent, des hypothèses sur les symétries de l’espace-temps sont nécessaires. L’auteur introduit ici les espaces-temps admettant un ou plusieurs champs de Killing: statiques, stationnaires, spatialement homogènes, etc.

Il consacre ensuite un chapitre à l’étude des espaces spatialement homogènes pour lesquels les équations d’Einstein se réduisent à des équations différentielles non-linéaires. En dépit de leur simplicité apparente, ces modèles sont intéressants pour l’interprétation physique de la théorie. Par ailleurs, leur étude mathé\-matique est très délicate et fait appel à toutes les facettes de la théorie des équations différentielles: variété centrale, systèmes dynamiques, théorie des bifurcations, etc.

La deuxième moitié de l’ouvrage traite directement la résolution du problème de Cauchy pour les équations d’Einstein. L’auteur présente d’abord les résultats principaux d’existence sans hypothèse de symétrie; ceux-ci sont centrés sur le théorème de Christodoulou et de Klainerman (stabilité de l’espace-temps de Minkowski). Il explique aussi les techniques d’analyse (harmonique) intervenant dans les démonstrations. Les derniers chapitres concernent les modèles possédant deux champs de Killing et l’auteur étudie en détail l’existence globale des solutions des équations d’Einstein et la nature géométrique de leurs singularités, ce qui lui permet de déterminer le comportement asymptotique des espace-temps construits.

En conclusion, il s’agit d’un ouvrage particulièrement bien organisé et documenté, dont la lecture est vivement recommandéee et permet d’accéder à l’état de l’art sur le sujet.

Philippe G. LeFloch (Paris).

Conference

on

Mathematical methods in general relativity

and quantum field theories

November 4–6, 2009, Paris

Poster of the conference


Invited speakers

Practical informations

Schedule of the conference

Wednesday November 4, 2009   – Room  2E01  – chairman P. LeFloch

Coffee break

Lunch break    chairman J. Kouneiher

Tea break

Thursday November 5, 2009  –  Room 0C02  – chairman F. Helein

Coffee break

  • 11h30 – 12h20 :  Daniel Bennequin “Geometry of duality on curves, surfaces and moduli” (Lecture given on blackboard.)

Lunch break  Chaiman C. Barbachoux

Tea break

Friday November 6, 2009  –  Room 1C18  – chairman P. LeFloch

Coffee break

Lunch and end of the conference

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Main Editor: Philippe G. LeFloch

contact@philippelefloch.org

Laboratoire Jacques-Louis Lions
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Pierre et Marie Curie
(Paris 6), 4 Place Jussieu
75252 Paris, FRANCE

Co-editor:  Jian-Guo Liu, Duke Univ.

Editorial Board

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  • François Bouchut (Paris-Est)
  • Shuxing Chen (Shanghai)
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  • Constantine Dafermos (Providence)
  • Helmut Friedrich (Potsdam)
  • Kenneth H Karlsen (Oslo)
  • Shuichi Kawashima (Fukuoka)
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  • Peter Lax (New York)
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  • Nader Masmoudi (New York)
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  • Cathleen S Morawetz (New York)
  • Tatsuo Nishitani (Osaka)
  • Alan Rendall (Potsdam)
  • Denis Serre (Lyon)
  • Eitan Tadmor (College Park)

This journal publishes original research papers on nonlinear hyperbolic problems and related topics, especially on the theory and numerical analysis of hyperbolic conservation laws and on hyperbolic partial differential equations arising in mathematical physics. The Journal welcomes contributions in:

  • Theory of nonlinear hyperbolic systems of conservation laws, addressing the issues of well-posedness and qualitative behavior of solutions, in one or several space dimensions.
  • Hyperbolic differential equations of mathematical physics, such as the Einstein equations of general relativity, Dirac equations, Maxwell equations, relativistic fluid models.
  • Lorentzian geometry, particularly global geometric and causal theoretic aspects of spacetimes satisfying the Einstein equations.
  • Nonlinear hyperbolic systems arising in continuum physics such as hyperbolic models of fluid dynamics, mixed models of transonic flows.
  • General problems that are dominated by finite speed phenomena such as dissipative and dispersive perturbations of hyperbolic systems, and models relevant to the derivation of fluid dynamical equations.

JHDE aims to provide a forum for the community of researchers working in the very active area of nonlinear hyperbolic problems and nonlinear wave equations, and will also serve as a source of information for the applications.

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Philippe LeFloch -- CNRS DIRECTOR OF RESEARCH -- Email: contact at philippelefloch dot org

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