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       1           0 : // Distributed under the MIT License.
       2             : // See LICENSE.txt for details.
       3             : 
       4             : #pragma once
       5             : 
       6             : #include <cstddef>
       7             : 
       8             : #include "DataStructures/Tensor/Tensor.hpp"
       9             : #include "NumericalAlgorithms/LinearOperators/PartialDerivatives.hpp"
      10             : #include "Options/String.hpp"
      11             : #include "PointwiseFunctions/AnalyticSolutions/AnalyticSolution.hpp"
      12             : #include "PointwiseFunctions/AnalyticSolutions/GeneralRelativity/Solutions.hpp"
      13             : #include "PointwiseFunctions/GeneralRelativity/Tags.hpp"
      14             : #include "Utilities/TMPL.hpp"
      15             : #include "Utilities/TaggedTuple.hpp"
      16             : 
      17             : /// \cond
      18             : namespace PUP {
      19             : class er;
      20             : }  // namespace PUP
      21             : namespace Tags {
      22             : template <typename Tag>
      23             : struct dt;
      24             : }  // namespace Tags
      25             : /// \endcond
      26             : 
      27             : namespace gr {
      28             : namespace Solutions {
      29             : 
      30             : /*!
      31             :  * \brief The Minkowski solution for flat space in Dim spatial dimensions.
      32             :  *
      33             :  * \details The solution has lapse \f$N(x,t)= 1 \f$, shift \f$N^i(x,t) = 0 \f$
      34             :  * and the identity as the spatial metric: \f$g_{ii} = 1 \f$
      35             :  */
      36             : template <size_t Dim>
      37           1 : class Minkowski : public AnalyticSolution<Dim>, public MarkAsAnalyticSolution {
      38             :  public:
      39           0 :   using options = tmpl::list<>;
      40           0 :   static constexpr Options::String help{
      41             :       "Minkowski solution to Einstein's Equations"};
      42             : 
      43             : 
      44           0 :   Minkowski() = default;
      45           0 :   Minkowski(const Minkowski& /*rhs*/) = default;
      46           0 :   Minkowski& operator=(const Minkowski& /*rhs*/) = default;
      47           0 :   Minkowski(Minkowski&& /*rhs*/) = default;
      48           0 :   Minkowski& operator=(Minkowski&& /*rhs*/) = default;
      49           0 :   ~Minkowski() = default;
      50             : 
      51           0 :   explicit Minkowski(CkMigrateMessage* /*msg*/);
      52             : 
      53             :   template <typename DataType>
      54           0 :   using DerivLapse = ::Tags::deriv<gr::Tags::Lapse<DataType>, tmpl::size_t<Dim>,
      55             :                                    Frame::Inertial>;
      56             :   template <typename DataType>
      57           0 :   using DerivShift = ::Tags::deriv<gr::Tags::Shift<DataType, Dim>,
      58             :                                    tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>;
      59             :   template <typename DataType>
      60           0 :   using DerivSpatialMetric =
      61             :       ::Tags::deriv<gr::Tags::SpatialMetric<DataType, Dim>, tmpl::size_t<Dim>,
      62             :                     Frame::Inertial>;
      63             : 
      64             :   template <typename DataType, typename Frame = Frame::Inertial>
      65           0 :   using tags = tmpl::flatten<tmpl::list<
      66             :       typename AnalyticSolution<Dim>::template tags<DataType, Frame>,
      67             :       gr::Tags::DerivDetSpatialMetric<DataType, Dim, Frame>,
      68             :       gr::Tags::TraceExtrinsicCurvature<DataType>,
      69             :       gr::Tags::SpatialChristoffelFirstKind<DataType, Dim, Frame>,
      70             :       gr::Tags::SpatialChristoffelSecondKind<DataType, Dim, Frame>,
      71             :       gr::Tags::TraceSpatialChristoffelSecondKind<DataType, Dim, Frame>>>;
      72             : 
      73             :   template <typename DataType, typename... Tags>
      74           0 :   tuples::TaggedTuple<Tags...> variables(const tnsr::I<DataType, Dim>& x,
      75             :                                          double t,
      76             :                                          tmpl::list<Tags...> /*meta*/) const {
      77             :     static_assert(
      78             :         tmpl2::flat_all_v<
      79             :             tmpl::list_contains_v<tags<DataType>, Tags>...>,
      80             :         "At least one of the requested tags is not supported. The requested "
      81             :         "tags are listed as template parameters of the `variables` function.");
      82             : 
      83             :     return {get<Tags>(variables(x, t, tmpl::list<Tags>{}))...};
      84             :   }
      85             : 
      86             :   template <typename DataType>
      87           0 :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::Lapse<DataType>> variables(
      88             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double t,
      89             :       tmpl::list<gr::Tags::Lapse<DataType>> /*meta*/) const;
      90             : 
      91             :   template <typename DataType>
      92           0 :   tuples::TaggedTuple<::Tags::dt<gr::Tags::Lapse<DataType>>> variables(
      93             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double t,
      94             :       tmpl::list<::Tags::dt<gr::Tags::Lapse<DataType>>> /*meta*/) const;
      95             : 
      96             :   template <typename DataType>
      97             :   tuples::TaggedTuple<::Tags::deriv<gr::Tags::Lapse<DataType>,
      98             :                                     tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>>
      99           0 :   variables(
     100             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double t,
     101             :       tmpl::list<::Tags::deriv<gr::Tags::Lapse<DataType>, tmpl::size_t<Dim>,
     102             :                                Frame::Inertial>> /*meta*/) const;
     103             : 
     104             :   template <typename DataType>
     105           0 :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::Shift<DataType, Dim>> variables(
     106             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     107             :       tmpl::list<gr::Tags::Shift<DataType, Dim>> /*meta*/) const;
     108             : 
     109             :   template <typename DataType>
     110           0 :   tuples::TaggedTuple<::Tags::dt<gr::Tags::Shift<DataType, Dim>>> variables(
     111             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     112             :       tmpl::list<::Tags::dt<gr::Tags::Shift<DataType, Dim>>> /*meta*/) const;
     113             : 
     114             :   template <typename DataType>
     115             :   tuples::TaggedTuple<::Tags::deriv<gr::Tags::Shift<DataType, Dim>,
     116             :                                     tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>>
     117           0 :   variables(
     118             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     119             :       tmpl::list<::Tags::deriv<gr::Tags::Shift<DataType, Dim>,
     120             :                                tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>> /*meta*/)
     121             :       const;
     122             : 
     123             :   template <typename DataType>
     124           0 :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::SpatialMetric<DataType, Dim>> variables(
     125             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     126             :       tmpl::list<gr::Tags::SpatialMetric<DataType, Dim>> /*meta*/) const;
     127             : 
     128             :   template <typename DataType>
     129             :   tuples::TaggedTuple<::Tags::dt<gr::Tags::SpatialMetric<DataType, Dim>>>
     130           0 :   variables(
     131             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     132             :       tmpl::list<::Tags::dt<gr::Tags::SpatialMetric<DataType, Dim>>> /*meta*/)
     133             :       const;
     134             : 
     135             :   template <typename DataType>
     136             :   tuples::TaggedTuple<::Tags::deriv<gr::Tags::SpatialMetric<DataType, Dim>,
     137             :                                     tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>>
     138           0 :   variables(
     139             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     140             :       tmpl::list<::Tags::deriv<gr::Tags::SpatialMetric<DataType, Dim>,
     141             :                                tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>> /*meta*/)
     142             :       const;
     143             : 
     144             :   template <typename DataType>
     145           0 :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::InverseSpatialMetric<DataType, Dim>> variables(
     146             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     147             :       tmpl::list<gr::Tags::InverseSpatialMetric<DataType, Dim>> /*meta*/) const;
     148             : 
     149             :   template <typename DataType>
     150           0 :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::ExtrinsicCurvature<DataType, Dim>> variables(
     151             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     152             :       tmpl::list<gr::Tags::ExtrinsicCurvature<DataType, Dim>> /*meta*/) const;
     153             : 
     154             :   template <typename DataType>
     155           0 :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::SqrtDetSpatialMetric<DataType>> variables(
     156             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     157             :       tmpl::list<gr::Tags::SqrtDetSpatialMetric<DataType>> /*meta*/) const;
     158             : 
     159             :   template <typename DataType>
     160           0 :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::DerivDetSpatialMetric<DataType, Dim>> variables(
     161             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     162             :       tmpl::list<gr::Tags::DerivDetSpatialMetric<DataType, Dim>> /*meta*/)
     163             :       const;
     164             : 
     165             :   template <typename DataType>
     166             :   tuples::TaggedTuple<::Tags::dt<gr::Tags::SqrtDetSpatialMetric<DataType>>>
     167           0 :   variables(
     168             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     169             :       tmpl::list<::Tags::dt<gr::Tags::SqrtDetSpatialMetric<DataType>>> /*meta*/)
     170             :       const;
     171             : 
     172             :   template <typename DataType>
     173           0 :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::TraceExtrinsicCurvature<DataType>> variables(
     174             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     175             :       tmpl::list<gr::Tags::TraceExtrinsicCurvature<DataType>> /*meta*/) const;
     176             : 
     177             :   template <typename DataType>
     178             :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::SpatialChristoffelFirstKind<DataType, Dim>>
     179           0 :   variables(
     180             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     181             :       tmpl::list<gr::Tags::SpatialChristoffelFirstKind<DataType, Dim>> /*meta*/)
     182             :       const;
     183             : 
     184             :   template <typename DataType>
     185             :   tuples::TaggedTuple<gr::Tags::SpatialChristoffelSecondKind<DataType, Dim>>
     186           0 :   variables(const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     187             :             tmpl::list<
     188             :                 gr::Tags::SpatialChristoffelSecondKind<DataType, Dim>> /*meta*/)
     189             :       const;
     190             : 
     191             :   template <typename DataType>
     192             :   tuples::TaggedTuple<
     193             :       gr::Tags::TraceSpatialChristoffelSecondKind<DataType, Dim>>
     194           0 :   variables(const tnsr::I<DataType, Dim>& x, double /*t*/,
     195             :             tmpl::list<gr::Tags::TraceSpatialChristoffelSecondKind<
     196             :                 DataType, Dim>> /*meta*/) const;
     197             :   // NOLINTNEXTLINE(google-runtime-references)
     198           0 :   void pup(PUP::er& /*p*/) {}
     199             : };
     200             : 
     201             : template <size_t Dim>
     202           0 : inline constexpr bool operator==(const Minkowski<Dim>& /*lhs*/,
     203             :                                  const Minkowski<Dim>& /*rhs*/) {
     204             :   return true;
     205             : }
     206             : 
     207             : template <size_t Dim>
     208           0 : inline constexpr bool operator!=(const Minkowski<Dim>& /*lhs*/,
     209             :                                  const Minkowski<Dim>& /*rhs*/) {
     210             :   return false;
     211             : }
     212             : }  // namespace Solutions
     213             : }  // namespace gr