Homotetias e Isometrias

O prop´osito principal desta sec¸˜ao ´e demonstrarmos o teorema 3.0.4, no qual vemos que uma de suas consequˆencias ´e a garantia de que uma aplicac¸˜ao que preserva distˆancias de um espac¸o-tempo fortemente causal sobre si mesmo ´e uma isometria.

Sejam(M₁,g₁)e(M₂,g₂)variedades Lorentzianas. Dizemos que um difeomorfismo f :(M₁,g₁)→

(M₂,g₂)´e uma homotetia se existe uma constantec>0, tal queg₂(f_∗v,f_∗w) =cg₁(v,w), para todo v,w∈T_pM₁e p∈M₁. Em particular, sec=1, ent˜ao f ´e uma isometria.

A partir de agora, nesta sec¸˜ao, vamos denotar pord₁a func¸˜ao distˆancia Lorentziana de(M₁,g₁)e d₂a de(M₂,g₂).

Definic¸˜ao 3.0.10. Uma aplicac¸˜ao f :(M₁,g₁)→(M₂,g₂) ´e chamada de distˆancia homot´etica se existe uma contante c>0, tal que d₂(f(p),f(q)) =cd₁(p,q),∀p,q∈M₁. Se c=1, dizemos que f preserva distˆancia.

Note que em variedades Lorentzianas, aplicac¸˜oes que preservam distˆancias n˜ao s˜ao necessaria-mente cont´ınuas, pois basta tomar(M,g)um espac¸o-tempo totalmente patol´ogico e ver qued(p,q) =

∞,∀p,q∈M, portanto qualquer bijec¸˜ao f :M→Mpreserva distˆancia, mas n˜ao ´e necessariamente cont´ınua.

Teorema 3.0.4. Seja(M₁,g₁)um espac¸o-tempo fortemente causal e(M₂,g₂)um espac¸o-tempo ar-bitr´ario. Se f :(M₁,g₁)→(M₂,g₂)´e uma distˆancia homot´etica sobrejetiva (n˜ao necessariamente cont´ınua), ent˜ao f ´e uma homotetia suave. Isto ´e, f ´e um difeomorfismo e existe uma constante c>0, tal que f^∗g₂=cg₁. Em particular, toda aplicac¸˜ao de um espac¸o-tempo fortemente causal

(M,g)sobre si mesmo que preserva a distˆancia Lorentziana ´e uma isomeria. A demonstrac¸˜ao deste teorema ser´a dividida em alguns lemas.

Lema 3.0.4. Sejam(M₁,g₁)e(M₂,g₂)espac¸os-tempo e considere uma aplicac¸˜ao f :(M₁,g₁)→

(M₂,g₂)sobrejetiva, mas n˜ao necessariamente cont´ınua. Se f ´e uma distˆancia homot´etica, ent˜ao: (1) pq ⇐⇒ f(p) f(q),

(2) f(I⁺(p)∩I⁻(q)) =I⁺(f(p))∩I⁻(f(q)).

Demonstrac¸˜ao. (1) Como f ´e uma distˆancia homot´etica, ent˜ao:

CAP´ITULO 3. DIST ˆANCIA LORENTZIANA E CUT LOCUS LORENTZIANO 31

(2) Dado f(r)∈ f(I⁺(p)∩I⁻(q)), ent˜ao r∈I⁺(p)∩I⁻(q), ou seja, prq, que equivale por (1) a f(p) f(r) f(q), logo f(r)∈I⁺(f(p))∩I⁻(f(q)).

J´a se f(r)∈I⁺(f(p))∩I⁻(f(q)), ent˜ao f(p) f(r) f(q), ou seja,prqe, portanto, r∈I⁺(p)∩I⁻(q)e f(r)∈ f(I⁺(p)∩I⁻(q)).

Assim, conclu´ımos a igualdade.

Um fato importante do item (2) ´e que se(M,g) ´e fortemente causal, ent˜ao o conjunto {I⁺(p)∩ I⁻(q)| p,q∈M} forma uma base para a topologia de M, fato este que poder´ıamos mostrar de forma an´aloga `a demonstrac¸˜ao do teorema 3.0.2.

Lema 3.0.5. Seja (M₁,g₁) um espac¸o-tempo fortemente causal e (M₂,g₂) um espac¸o-tempo ar-bitr´ario. Se f :(M₁,g₁)→(M₂,g₂)´e uma distˆancia homot´etica sobrejetiva (n˜ao necessariamente cont´ınua), ent˜ao f ´e uma aplicac¸˜ao aberta injetiva.

Demonstrac¸˜ao. Para mostrar que f ´e uma aplicac¸˜ao aberta usamos o fato que {I⁺(p)∩I⁻(q)| p,q∈M₁} forma uma base para a topologia deM₁, assim basta mostrar que f(I⁺(p)∩I⁻(q)) ´e aberto, mas pelo item (2) do lema anterior, temos que f(I⁺(p)∩I⁻(q)) =I⁺(f(p))∩I⁻(f(q)), onde este ´ultimo ´e a intersec¸˜ao de dois abertos emM₂e, portanto, aberto.

Resta mostrar que f ´e injetiva. Suponha que existamp,q∈M₁,p6=qe f(p) =f(q). SejaU(p)uma vizinhanc¸a de pcomq∈/U(p)e tal que nenhuma curva causal passa porU(p) mais de uma vez. Escolhar₁,r₂∈U(p)comr₁pr₂, ent˜aoq∈/I⁺(r₁)∩I⁻(r₂)⊂U(p). Segue do lema anterior que f(r₁) f(p) = f(q) f(r₂), o que implica quer₁qr₂, ou seja,q∈I⁺(p)∩I⁻(q), o que ´e um absurdo.

Aplicando o lema anterior a f e f⁻¹, obtemos a proposic¸˜ao seguinte.

Proposic¸˜ao 3.0.6. Seja (M₁,g₁) fortemente causal, (M₂,g₂) um espac¸o-tempo arbitr´ario e f :

(M₁,g₁)→(M₂,g₂)sobrejetiva (n˜ao necessariamente cont´ınua). Se f ´e uma distˆancia homot´etica, ent˜ao f ´e um homeomorfismo e(M₂,g₂)´e fortemente causal.

Demonstrac¸˜ao. Desde que f ´e sobrejetiva, temos, pelo lema anterior, que f ´e bijetiva. Al´em disso, tamb´em pelo lema anterior, f ´e uma aplicac¸˜ao aberta, o que garante que f⁻¹ ´e cont´ınua, pois a imagem inversa de um aberto ´e aberta.

Se mostrarmos que (M₂,g₂) ´e fortemente causal, teremos que f⁻¹ ´e uma bijec¸˜ao aberta, logo f ser´a cont´ınua.

Dadop⁰∈M₂, seja p= f⁻¹(p⁰)∈M₁. Ser⁰,q⁰∈M₂s˜ao tais quer⁰p⁰q⁰, ent˜ao como f⁻¹ ´e uma distˆancia homot´etica com constante igual a 1/c(pois f ´e bijetiva), temos que f⁻¹(r⁰)p

CAP´ITULO 3. DIST ˆANCIA LORENTZIANA E CUT LOCUS LORENTZIANO 32

SejaU⁰(p⁰) uma vizinhanc¸a de p⁰ e escolha V⁰(p⁰) vizinhanc¸a de p⁰ tal que o fecho compacto V⁰(p⁰) esteja contido numa vizinhanc¸a normal convexaW⁰(p⁰) de p⁰, logo podemos assumir que

(W⁰(p⁰),g₂|_W0(p⁰))´e globalmente hiperb´olico.

Seja{r⁰_n}e{q⁰_n}sequˆencias emV⁰(p⁰)tais quer_n⁰ →p⁰,q⁰_n→p⁰er_n⁰ p⁰q⁰_n, para todon. Assuma que falhe a causalidade forte de(M₂,g₂)em p⁰. Isto significa que, para cadan, o conjunto I⁺(r⁰_n)∩I⁻(q⁰_n) n˜ao pode estar contido emW⁰(p⁰), pois de outra forma curvas causais poderiam sair de vizinhanc¸as arbitrariamente pequenas deI⁺(r⁰_n)∩I⁻(q⁰_n)e ent˜ao retornar, o que contraria o fato deW⁰(p⁰)ser globalmente hiperb´olico.

Tome uma sequˆencia{z⁰_n}contida na fronteira deV⁰(p⁰), comz⁰_n∈I⁺(r_n⁰)∩I⁻(q⁰_n)para cadan. A sequˆencia{z⁰_n} tem um ponto de acumulac¸˜aoz, pois o fecho deV⁰(p⁰) ´e compacto. Al´em disso,

f⁻¹(z⁰_n)∈ f⁻¹(I⁺(r_n⁰)∩I⁻(q⁰_n)) =I⁺(f⁻¹(r⁰_n))∩I⁻(f⁻¹(q⁰_n)).

A continuidade de f⁻¹ implica que f⁻¹(r_n⁰)→ f⁻¹(p⁰) = p e f⁻¹(q⁰_n)→ f⁻¹(p⁰) = p, j´a a cau-salidade forte de M₁ garante que os conjuntos I⁺(f⁻¹(r_n⁰))∩I⁻(f⁻¹(q⁰_n)) se aproximam de p, portanto, f⁻¹(z⁰_n)→p, o que significa que f⁻¹(z) = p= f⁻¹(p⁰). Isto contraria a injetividade de

f⁻¹. Consequentemente,M₂ ´e de fato fortemente causal.

Considerando um espac¸o-tempoMfortemente causal, dadop∈M, sejaU(p)uma vizinhanc¸a nor-mal convexa dep. O conjuntoU(p)pode ser escolhido t˜ao pequeno que quandoq,r∈U(p), com q≤r, a distˆanciad(q,r) ´e o comprimento do segmentoα(q,r)da ´unica geod´esica deqat´er que pertence aU(p).

Al´em disso,U(p)pode ser escolhido de forma que seq,z,r∈U(p), comqzr, ent˜ao a desi-gualdade triangular inversad(q,r)≥d(q,z) +d(z,r)tem a igualdade v´alida se, e somente se,zest´a no segmento de geod´esica que ligaqa r emU(p). Portanto, geod´esicas tipo-tempo em espac¸os-tempo fortemente causais s˜ao caracterizados pela func¸˜ao distˆancia, logo segue que distˆancias ho-mot´eticas levam geod´esicas tipo-tempo em geod´esicas tipo-tempo, pois dadoz∈α(p,q), temos que pzqe, como f ´e uma distˆancia homot´etica, f(p) f(z) f(q), onde f(z)∈α(f(p),f(q)). Queremos mostrar queα(f(p),f(q)) ´e uma geod´esica, para isso note que comoz∈α(p,q), ent˜ao

d₁(p,q) =d₁(p,z) +d₁(z,q) =¹

c^d2(f(p),f(z)) +¹

c^d2(f(p),f(z)) =¹

c^d2(f(p),f(q)),

logo f(z)est´a sobre a ´unica geod´esica que liga f(p)a f(q), ou seja,α(f(p),f(q))´e uma geod´esica. Este fato tamb´em ´e v´alido para geod´esicas do tipo-luz e isso ´e mostrado no lema a seguir.

Lema 3.0.6. Se f ´e uma distˆancia homot´etica definida em um espac¸o-tempo fortemente causal, ent˜ao f leva geod´esicas tipo-luz em geod´esicas tipo-luz.

Demonstrac¸˜ao. SejaU(p)uma vizinhanc¸a normal convexa dep, tomada suficientemente pequena de tal forma que f(U(p))esteja contida numa vizinhanc¸a normal convexa de f(p), como mostra o

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par´agrafo anterior a este lema.

Sejaα(q,r)uma geod´esica tipo-luz emU(p). Escolhaq_n→qer_n→r, comq_nr_n, para todon. Pela proposic¸˜ao anterior temos que f(q_n)→ f(q)e f(r_n)→ f(r).

Assim, f leva as geod´esicas tipo-tempoα(q_n,r_n)nas geod´esicas tipo-tempoα(f(q_n),f(r_n)). Desde que a geod´esicaα(q_n,r_n)converge paraα(q,r)e a geod´esicaα(f(q_n),f(r_n))converge para α(f(q),f(r)), segue que f levaα(q,r)emα(f(q),f(r)), onde esta ´ultima ´e uma geod´esica tipo-luz, pois f ´e uma distˆancia homot´etica.

Demonstrac¸˜ao. Agora iremos provar o teorema 3.0.4. O fato de f ser um difeomorfismo segue de um resultado provado por Hawking, King e McCarthy (1976), que afirma que um homeomorfismo que leva geod´esicas tipo-luz em geod´esicas tipo-luz ´e um difeomorfismo.

Desde que M₁ e M₂ s˜ao fortemente causais, para cada p∈M₁, existe uma vizinhanc¸a normal convexa U₁(p) tal que para cada q ∈U₁(p), com p q, o comprimento das geod´esicas tipo-tempo ligando paqeα(f(p),f(q))ligando f(p)a f(q)s˜ao dados pord₁(p,q)ed₂(f(p),f(q)), respectivamente. Usando que d₂(f(p),f(q)) =cd₁(p,q), segue que f aplica g₁ sobre o tensor c⁻²g₂.