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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
- 10h00 Florian Beyer (Otago, New Zealand) Second-order hyperbolic Fuchsian systems. Application to Einstein vacuum spacetimes
- 11h30 Jerome Novak (LUTH, Meudon) A constrained scheme of Einstein equations for numerical relativity
- 14h00 Jared Speck (Cambridge, UK) The stability of the Euler-Einstein system with a positive cosmological constant
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, 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, , satisfaisant aux équations
reliant le tenseur de courbure d’Einstein au tenseur de moment-énergie de la matière
. Le scalaire
représente la constante cosmologique de l’espace-temps, et les indices
varient de
à
. (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
munie d’un champ de
-tenseurs symétriques
. On cherche alors une variété lorentzienne (un développement maximal) satisfaisant aux équations d’Einstein avec la contrainte que
est isométriquement plongée dans
et admet
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 , 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 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
Invited speakers
- Lars Andersson, Albert Einstein Institute, Potsdam
- Daniel Bennequin, IMJ, Paris 7
- Piotr Bizon, Cracow
- Luc Blanchet, IAP, Paris
- Yvonne Choquet-Bruhat, IHES, Bures-sur-Yvette
- Mihalis Dafermos, Cambridge
- Dan Freed, Austin
- Carsten Gundlach, Southampton
- Alan D. Rendall, Potsdam
- Jérémie Szeftel, Princeton and Paris
- Gabriele Veneziano, College de France, Paris
- Alan Weinstein, Berkeley
Practical informations
- Registration is free. Please register by sending an email to: LeFloch@ann.jussieu.fr
- Location: Institut Mathématiques de Jussieu et Laboratoire Jacques-Louis Lions, Université Pierre et Marie Curie, 175 rue du Chevaleret, Paris. Subway station: Chevaleret.
- Supported by the research project ANR MATH-GR .
- Organizers: Cécile Barbachoux (LERMA, UPMC), Frédéric Hélein (IMJ, Paris Diderot), Joseph Kouneiher (Nice & LUTH), and Philippe LeFloch (Laboratoire J.-L. Lions, UPMC).
Schedule of the conference
Wednesday November 4, 2009 – Room 2E01 – chairman P. LeFloch
- 10h00 – 10h50 : Mihalis Dafermos The black hole stability problem
Coffee break
- 11h30 – 12h20 : Luc Blanchet Post-Newtonian methods and applications
Lunch break chairman J. Kouneiher
- 14h00 – 14h50 : Dan Freed Dirac charge quantization, K-theory, and orientifolds
Tea break
- 15h30 – 16h20 : Lars Andersson Hiddden symmetries and linear fields on Kerr
Thursday November 5, 2009 – Room 0C02 – chairman F. Helein
- 9h00 – 9h50 : Alan Weinstein Groupoid symmetry and initial value constraints for the Einstein equations
Coffee break
- 10h30 – 11h20 : Alan Rendall Relations between Gowdy and Bianchi spacetimes
- 11h30 – 12h20 : Daniel Bennequin “Geometry of duality on curves, surfaces and moduli” (Lecture given on blackboard.)
Lunch break Chaiman C. Barbachoux
- 14h00 – 14h50 : Jérémie Szeftel Around the bounded L2 curvature conjecture in general relativity
Tea break
- 15h30 – 16h20 : Gabriele Veneziano Black holes from transplanckian-energy collisions of ultra-relativistic sources
Friday November 6, 2009 – Room 1C18 – chairman P. LeFloch
- 9h00 – 9h50 : Carsten Gundlach A review of critical phenomena in gravitational collapse
Coffee break
- 10h30 – 11h20 : Piotr Bizon Late-time tails of self-gravitating waves
- 11h30 – 12h20 : Yvonne Choquet-Bruhat Cauchy problem on a characteristic cone for the Einstein equations in arbitrary dimensions
Lunch and end of the conference
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Main Editor: Philippe G. LeFloch
Laboratoire Jacques-Louis Lions Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) Université Pierre et Marie Curie (Paris 6), 4 Place Jussieu 75252 Paris, FRANCECo-editor: Jian-Guo Liu, Duke Univ.
Editorial Board
- Lars Andersson (Potsdam)
- François Bouchut (Paris-Est)
- Shuxing Chen (Shanghai)
- James Colliander (Toronto)
- Rinaldo Colombo (Brescia)
- Constantine Dafermos (Providence)
- Helmut Friedrich (Potsdam)
- Kenneth H Karlsen (Oslo)
- Shuichi Kawashima (Fukuoka)
- Sergiu Klainerman (Princeton)
- Peter Lax (New York)
- Tai-Ping Liu (Taipei)
- Pierro Marcati (L’Aquila)
- Nader Masmoudi (New York)
- Frank Merle (Bures-sur-Yvette)
- 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.

