Инварианты Зайберга – Виттена

редактировать

В математике, и особенно калибровочной теории, инвариантами Зайберга – Виттена являются инварианты компактных гладких ориентированных 4-многообразий, введенные Эдвардом Виттеном (1994), используя теорию Зайберга – Виттена, изученную Натан Зайберг и Виттен (1994a, 1994b) во время исследований калибровочной теории Зайберга – Виттена.

инвариантов Зайберга – Виттена похожи на инварианты Дональдсона и могут использоваться для доказательства аналогичных (но иногда немного более сильных) результатов о гладких 4-многообразиях. С ними технически намного проще работать, чем с инвариантами Дональдсона; например, пространства модулей решений уравнений Зайберга – Виттена имеют тенденцию быть компактными, поэтому можно избежать сложных проблем, связанных с компактификацией пространств модулей в теории Дональдсона.

Подробное описание инвариантов Зайберга – Виттена см. В (Donaldson 1996), (Moore 2001), (Morgan 1996), (Николаеску 2000), (Скорпан 2005, Глава 10). Относительно симплектических многообразий и инвариантов Громова – Виттена см. (Taubes 2000). О ранней истории см. (Jackson 1995).

Содержание
  • 1 Спин-структуры
  • 2 Уравнения Зайберга – Виттена
  • 3 Пространство модулей решений
  • 4 инварианты Зайберга – Виттена
  • 5 Список литературы
Спин-структуры

Группа вращения (в измерении 4):

(U (1) × S-контакт (4)) / (Z / 2 Z). {\ displaystyle (U (1) \ times \ mathrm {Spin} (4)) / (\ mathbb {Z} / 2 \ mathbb {Z}).}{\ displaystyle (U (1) \ times \ mathrm {Spin} (4)) / (\ mathbb {Z} / 2 \ mathbb {Z}).}

где Z / 2 Z {\ displaystyle \ mathbb {Z} / 2 \ mathbb {Z}}{\ displaystyle \ mathbb { Z} / 2 \ mathbb {Z}} действует как знак для обоих факторов. Группа имеет естественный гомоморфизм к SO (4) = Spin (4) / ± 1.

Для компактного ориентированного четырехмерного многообразия выберите гладкую риманову метрику g {\ displaystyle g}g с соединением Леви Чивита ∇ g {\ displaystyle \ nabla ^ {g}}{\ displaystyle \ nabla ^ {g}} . Это сокращает структурную группу от связной компоненты GL (4) + до SO (4) и безвредно с гомотопической точки зрения. Спин-структура или комплексная спиновая структура на M - это редукция структурной группы к Spin, то есть подъем структуры SO (4) на касательном расслоении к группе Spin. По теореме Хирцебруха и Хопфа каждое гладкое ориентированное компактное 4-многообразие M {\ displaystyle M}M допускает структуру Spin. Существование структуры Spin эквивалентно существованию подъема второго класса Штифеля-Уитни w 2 (M) ∈ H 2 (M, Z / 2 Z) {\ displaystyle w_ {2} (M) \ in H ^ {2} (M, \ mathbb {Z} / 2 \ mathbb {Z})}{\ displaystyle w_ {2} (M) \ in H ^ {2} (M, \ mathbb {Z} / 2 \ mathbb {Z})} в класс K ∈ Н 2 (Х, Z). {\ displaystyle K \ in H ^ {2} (X, \ mathbb {Z}).}{\ displaystyle К \ in H ^ {2} (X, \ mathbb {Z}).} И наоборот, такой подъем определяет структуру Spin до 2 кручений в H 2 (X, Z). {\ displaystyle H ^ {2} (X, \ mathbb {Z}).}{\ displaystyle H ^ {2} (X, \ mathbb {Z}).} A структура вращения требует более строгого ограничения w 2 (M) = 0. {\ displaystyle w_ {2} (M) = 0.}{\ displaystyle w_ {2} (M) = 0.}

Структура Spin определяет (и определяется) спинорный пучок W = W + ⊕ W - {\ displaystyle W = W ^ {+} \ oplus W ^ {-}}{\ displaystyle W = W ^ {+} \ oplus W ^ {-}} , полученный из двух комплексных мерных положительного и отрицательного спинорного представления Spin (4), на которое U (1) действует посредством умножения. У нас есть К = c 1 (W +) = c 1 (W -) {\ displaystyle K = c_ {1} (W ^ {+}) = c_ {1} (W ^ {-})}{\ displaystyle K = c_ {1} (W ^ {+}) = c_ {1} (W ^ {-})} . Связка спиноров W {\ displaystyle W}W поставляется с градуированным представлением связки алгебры Клиффорда, т. Е. Картой γ: C liff (M, g) → E nd (W) {\ displaystyle \ gamma: \ mathrm {Cliff} (M, g) \ to {\ mathcal {E}} {\ mathit {nd}} (W)}{\ displaystyle \ gamma: \ mathrm {Cliff} (M, g) \ to {\ mathcal {E}} {\ mathit {nd}} (W)} так, что для каждой 1 формы a { \ Displaystyle a}a мы имеем γ (a): W ± → W ∓ {\ displaystyle \ gamma (a): W ^ {\ pm} \ to W ^ {\ mp}}{\ displaystyle \ gamma (а): W ^ {\ pm} \ к W ^ {\ mp}} и γ (a) 2 = - g (a, a) {\ displaystyle \ gamma (a) ^ {2} = - g (a, a)}{\ displaystyle \ gamma (a) ^ {2} = - g (a, a)} . Существует уникальная эрмитова метрика h {\ displaystyle h}h на W {\ displaystyle W}W s.t. γ (a) {\ displaystyle \ gamma (a)}{\ displaystyle \ gamma (a)} является перекосом эрмитова для вещественных 1 форм a {\ displaystyle a}a . Он дает индуцированное действие форм ∧ ∗ M {\ displaystyle \ wedge ^ {*} M}{\ displaystyle \ wedge ^ {*} M} путем антисимметризации. В частности, это дает изоморфизм ∧ + M ≅ E nd 0 sh (W +) {\ displaystyle \ wedge ^ {+} M \ cong {\ mathcal {E}} {\ mathit {nd}} _ { 0} ^ {sh} (W ^ {+})}{\ displaystyle \ wedge ^ {+} M \ cong {\ mathcal {E}} {\ mathit {nd} } _ {0} ^ {sh} (W ^ {+})} двух самодуальных форм с бесследными косыми эрмитовыми эндоморфизмами W + {\ displaystyle W ^ {+}}W ^ + которые затем идентифицируются.

Уравнения Зайберга – Виттена

Пусть L = det (W +) ≡ det (W -) {\ displaystyle L = \ det (W ^ {+}) \ Equiv \ det (W ^ {-})}{\ displaystyle L = \ det (W ^ {+}) \ Equiv \ det (W ^ {-})} быть детерминантным линейным пакетом с c 1 (L) = K {\ displaystyle c_ {1} (L) = K}{\ displaystyle c_ {1} (L) = K} . Для каждого соединения ∇ A = ∇ 0 + A {\ displaystyle \ nabla _ {A} = \ nabla _ {0} + A}{\ displaystyle \ nabla _ {A} = \ nabla _ {0} + A} с A ∈ i AR 1 (M) {\ displaystyle A \ in iA _ {\ mathbb {R}} ^ {1} (M)}{\ displaystyle A \ in iA _ {\ mathbb {R}} ^ {1} (M)} на L {\ displaystyle L}L, существует уникальный спинор соединение ∇ A {\ displaystyle \ nabla ^ {A}}{\ displaystyle \ nabla ^ {A}} на W {\ displaystyle W}W т.е. соединение такое, что ∇ XA (γ (a)): = [∇ XA, γ (a)] = γ (∇ X ga) {\ displaystyle \ nabla _ {X} ^ {A} (\ gamma ( a)): = [\ nabla _ {X} ^ {A}, \ gamma (a)] = \ gamma (\ nabla _ {X} ^ {g} a)}{ \ Displaystyle \ nabla _ {X} ^ {A} (\ gamma (a)): = [\ nabla _ {X} ^ {A}, \ gamma (a)] = \ gamma (\ nabla _ {X} ^ {g} a)} для каждого 1- форма a {\ displaystyle a}a и векторное поле X {\ displaystyle X}X . Затем связь Клиффорда определяет оператор Дирака DA = γ ⊗ 1 ∘ ∇ A = γ (dx μ) ∇ μ A {\ displaystyle D ^ {A} = \ gamma \ otimes 1 \ circ \ nabla ^ {A} = \ gamma (dx ^ {\ mu}) \ nabla _ {\ mu} ^ {A}}{\ displaystyle D ^ {A} = \ gamma \ otimes 1 \ circ \ nabla ^ {A} = \ gamma (dx ^ {\ mu}) \ nabla _ {\ mu} ^ {A}} на W {\ displaystyle W}W . Группа карт G = {u: M → U (1)} {\ displaystyle {\ mathcal {G}} = \ {u: M \ to U (1) \}}{\ displaystyle {\ mathcal {G}} = \ {u: M \ to U (1) \}} действует как группа датчиков на множестве всех соединений на L {\ displaystyle L}L. Действие G {\ displaystyle {\ mathcal {G}}}{\ mathcal {G}} может быть "фиксированным размером", например условием d ∗ A = 0 {\ displaystyle d ^ {*} A = 0}{\ displaystyle d ^ { *} A = 0} , оставляя эффективную параметризацию пространства всех таких соединений H 1 (M, R) вред / ЧАС 1 (M, Z) ⊕ d ∗ AR + (M) {\ displaystyle H ^ {1} (M, \ mathbb {R}) ^ {\ mathrm {damage}} / H ^ {1} (M, \ mathbb {Z}) \ oplus d ^ {*} A _ {\ mathbb {R}} ^ {+} (M)}{\ displaystyle H ^ {1} (M, \ mathbb {R}) ^ {\ mathrm {вред}} / ЧАС ^ {1} (М, \ mathbb {Z}) \ oplus d ^ {*} A _ {\ mathbb {R}} ^ {+} (M)} с невязкой U (1) {\ displaystyle U (1)}U (1) действие группы датчиков.

Запишите ϕ {\ displaystyle \ phi}\ phi для спинорного поля с положительной хиральностью, т. Е. Отрезка W + {\ displaystyle W ^ {+}}W ^ + . Уравнения Зайберга – Виттена для (ϕ, ∇ A) {\ displaystyle (\ phi, \ nabla ^ {A})}{\ displaystyle (\ фи, \ набла ^ {A})} теперь

DA ϕ = 0 {\ displaystyle D ^ {A} \ phi = 0}D ^ A \ phi = 0
FA + = σ (ϕ) + i ω {\ displaystyle F_ {A} ^ {+} = \ sigma (\ phi) + i \ omega}F ^ + _ A = \ sigma (\ phi) + я \ omega

Здесь FA ∈ i AR 2 (M) {\ displaystyle F ^ {A} \ in iA _ {\ mathbb {R}} ^ {2} (M)}{\ displaystyle F ^ {A} \ in iA _ {\ mathbb {R}} ^ {2} (M)} - это 2-форма замкнутой кривизны ∇ A {\ displaystyle \ nabla ^ {A}}{\ displaystyle \ nabla ^ {A}} , FA + {\ displaystyle F_ {A} ^ {+}}{\ displaystyle F_ {A} ^ {+}} - его самодвойственная часть, а σ - отображение квадрата ϕ ↦ (ϕ час (ϕ, -) - 1 2 час (ϕ, ϕ) 1 W +) {\ displaystyle \ phi \ mapsto \ left (\ phi h (\ phi, -) - {\ tfrac { 1} {2}} час (\ phi, \ phi) 1_ {W ^ {+}} \ right)}{\ displaystyle \ phi \ mapsto \ left (\ phi h (\ phi, -) - {\ tfrac {1} {2}} h (\ phi, \ phi) 1_ {W ^ {+}} \ right)} из W + {\ displaystyle W ^ {+}}W ^ + бесследному эрмитовскому эндоморфизму W + {\ displaystyle W ^ {+}}W ^ + , отождествляемому с воображаемой самодвойственной 2-формой, и ω {\ displaystyle \ omega}\ omega - это настоящая самодуальная двойная форма, часто принимаемая за ноль или гармоническую. Группа калибров G {\ displaystyle {\ mathcal {G}}}{\ mathcal {G}} действует в пространстве решений. После добавления условия фиксации датчика d ∗ A = 0 {\ displaystyle d ^ {*} A = 0}{\ displaystyle d ^ { *} A = 0} невязка U (1) действует свободно, за исключением «приводимых решений» с ϕ = 0 {\ Displaystyle \ phi = 0}\ phi = 0 . По техническим причинам уравнения фактически определены в подходящих пространствах Соболева достаточно высокой регулярности.

Применение формулы Вайтценбека

∇ A ∗ ∇ A ϕ = (DA) 2 ϕ - (1 2 γ (FA +) + s) ϕ {\ displaystyle {\ nabla ^ {A} } ^ {*} \ nabla ^ {A} \ phi = (D ^ {A}) ^ {2} \ phi - ({\ tfrac {1} {2}} \ gamma (F_ {A} ^ {+}) + s) \ phi}{\ displaystyle {\ nabla ^ {A}} ^ {*} \ nabla ^ {A} \ phi = (D ^ {A}) ^ {2} \ phi - ({\ tfrac {1} {2}} \ gamma (F_ {A}) ^ {+}) + s) \ phi}

и тождество

Δ g | ϕ | h 2 = 2 h (∇ A ∗ ∇ A ϕ, ϕ) - 2 | ∇ A ϕ | г ⊗ час {\ displaystyle \ Delta _ {g} | \ phi | _ {h} ^ {2} = 2h ({\ nabla ^ {A}} ^ {*} \ nabla ^ {A} \ phi, \ phi) -2 | \ nabla ^ {A} \ phi | _ {g \ otimes h}}{\ displaystyle \ Delta _ {g} | \ phi | _ { h} ^ {2} = 2h ({\ nabla ^ {A}} ^ {*} \ nabla ^ {A} \ phi, \ phi) -2 | \ nabla ^ {A} \ phi | _ {g \ otimes h}}

решениям уравнений дает равенство

Δ | ϕ | 2 + | ∇ A ϕ | 2 + 1 4 | ϕ | 4 = (- s) | ϕ | 2-1 2 час (ϕ, γ (ω) ϕ) {\ Displaystyle \ Delta | \ phi | ^ {2} + | \ nabla ^ {A} \ phi | ^ {2} + {\ tfrac {1} { 4}} | \ phi | ^ {4} = (- s) | \ phi | ^ {2} - {\ tfrac {1} {2}} h (\ phi, \ gamma (\ omega) \ phi)}{\ displaystyle \ Delta | \ phi | ^ {2} + | \ nabla ^ {A} \ phi | ^ {2} + {\ tfrac {1} {4}} | \ phi | ^ {4 } = (- s) | \ phi | ^ {2} - {\ tfrac {1} {2}} h (\ phi, \ gamma (\ omega) \ phi)} .

Если | ϕ | 2 {\ displaystyle | \ phi | ^ {2}}| \ phi | ^ {2} является максимальным Δ | ϕ | 2 ≥ 0 {\ displaystyle \ Delta | \ phi | ^ {2} \ geq 0}{\ displaystyle \ Delta | \ phi | ^ {2} \ geq 0} , так что это показывает, что для любого решения sup norm ‖ ϕ ‖ ∞ {\ displaystyle \ | \ phi \ | _ {\ infty}}{\ displaystyle \ | \ фи \ | _ {\ infty}} априори ограничен с границей, зависящей только от скалярной кривизны s {\ displaystyle s}s of (M, g) {\ displaystyle (M, g)}(M, g) и дуальная самодвойная форма ω {\ displaystyle \ omega}\ omega . После добавления условия фиксации калибровки эллиптическая регулярность уравнения Дирака показывает, что решения фактически априори ограничены в нормах Соболева произвольной регулярности, что показывает, что все решения гладкие, и что пространство всех решений с точностью до калибровочной эквивалентности компактно.

Решения (ϕ, ∇ A) {\ displaystyle (\ phi, \ nabla ^ {A})}{\ displaystyle (\ фи, \ набла ^ {A})} уравнений Зайберга – Виттена называются монополями., поскольку эти уравнения являются уравнениями поля безмассовых магнитных монополей на многообразии M {\ displaystyle M}M .

Пространство модулей решений

На пространство решений действует калибровочная группа, и фактор этого действия называется пространством модулей монополей.

Пространство модулей обычно представляет собой многообразие. Для общих метрик после фиксации калибровки уравнения вырезают пространство решений в поперечном направлении и таким образом определяют гладкое многообразие. Остаточная U (1) «фиксированная калибровка» калибровочная группа U (1) действует свободно, за исключением приводимых монополей, то есть решений с ϕ = 0 {\ displaystyle \ phi = 0}\ phi = 0 . По теореме Атьи-Зингера об индексе пространство модулей конечномерно и имеет «виртуальную размерность»

(K 2 - 2 χ top (M) - 3 sign ⁡ (M)) / 4 {\ displaystyle (K ^ {2} -2 \ chi _ {\ mathrm {top}} (M) -3 \ operatorname {sign} (M)) / 4}{\ displaystyle (K ^ {2} -2 \ chi _ {\ mathrm {top}} (M) -3 \ operatorname {sign} (M)) / 4}

который для общих показателей является фактическим измерением вдали от сводимые. Это означает, что пространство модулей в общем случае пусто, если виртуальная размерность отрицательна.

Для двойственной формы 2 ω {\ displaystyle \ omega}\ omega приводимые решения имеют ϕ = 0 {\ displaystyle \ phi = 0}\ phi = 0 , и поэтому определяются соединениями ∇ A = ∇ 0 + A {\ displaystyle \ nabla _ {A} = \ nabla _ {0} + A}{\ displaystyle \ nabla _ {A} = \ nabla _ {0} + A} на L {\ displaystyle L}Lтакой, что F 0 + d A = i (α + ω) {\ displaystyle F_ {0} + dA = i (\ alpha + \ omega)}{\ Displaystyle F_ {0} + dA = я (\ альфа + \ omega)} для некоторой антисамодуальной 2-формы α {\ displaystyle \ alpha}\ alpha . По разложению Ходжа, поскольку F 0 {\ displaystyle F_ {0}}F_{0}закрыт, единственное препятствие для решения этого уравнения для A {\ displaystyle A }A с учетом α {\ displaystyle \ alpha}\ alpha и ω {\ displaystyle \ omega}\ omega , является гармонической частью α {\ displaystyle \ alpha}\ alpha и ω {\ displaystyle \ omega}\ omega и гармоническая часть, или, что эквивалентно, класс когомологии (де Рама) формы кривизны, т.е. [F 0] = F 0 вред = i (ω вред + α вред) ∈ H 2 (M, R) {\ displaystyle [F_ {0}] = F_ {0} ^ {\ mathrm {вред}} = я (\ omega ^ {\ mathrm {вред}} + \ alpha ^ {\ mathrm {вред}}) \ in H ^ {2} (M, \ mathbb {R})}{\ displaystyle [F_ {0}] = F_ {0} ^ {\ mathrm { вред}} = i (\ omega ^ {\ mathrm {вред}} + \ alpha ^ {\ mathrm {вред}}) \ in H ^ {2} (M, \ mathbb {R})} . Таким образом, поскольку [1 2 π i F 0] = K {\ displaystyle [{\ tfrac {1} {2 \ pi i}} F_ {0}] = K}{\ displaystyle [{\ tfrac {1} {2 \ pi i}} F_ {0}] = K} необходимое и достаточным условием для приводимого решения является

ω вред ∈ 2 π K + H - ∈ H 2 (X, R) {\ displaystyle \ omega ^ {\ mathrm {damage}} \ in 2 \ pi K + {\ mathcal {H}} ^ {-} \ in H ^ {2} (X, \ mathbb {R})}{\ displaystyle \ омега ^ {\ mathrm {вред}} \ in 2 \ pi K + {\ mathcal {H}} ^ {-} \ in H ^ {2} (X, \ mathbb {R})}

где H - {\ displaystyle {\ mathcal {H}} ^ {-}}{\ displaystyle {\ mathcal {Н}} ^ {-}} - это пространство гармонических анти-самодуальных 2-форм. Двойная форма ω {\ displaystyle \ omega}\ omega является K {\ displaystyle K}K -допустимой, если это условие не выполняется и решения обязательно неприводимы. В частности, для b + ≥ 1 {\ displaystyle b ^ {+} \ geq 1}{\ displaystyle b ^ {+} \ geq 1} пространство модулей является (возможно, пустым) компактным многообразием для общих метрик и допустимого ω {\ Displaystyle \ omega}\ omega . Обратите внимание, что если b + ≥ 2 {\ displaystyle b _ {+} \ geq 2}{\ displaystyle b_ { +} \ geq 2} , то пространство K {\ displaystyle K}K -допустимые две формы связан, тогда как если b + = 1 {\ displaystyle b _ {+} = 1}{ \ displaystyle b _ {+} = 1} , он имеет два связанных компонента (камеры). Пространству модулей можно дать естественную ориентацию из ориентации на пространстве положительных гармонических 2 форм и первых когомологий.

Априорная оценка решений также дает априорные границы для F h a r m {\ displaystyle F ^ {\ mathrm {damage}}}{\ displaystyle F ^ {\ mathrm {damage}}} . Следовательно, существует (для фиксированного ω {\ displaystyle \ omega}\ omega ) только конечное число K ∈ H 2 (M, Z) {\ displaystyle K \ in H ^ {2} ( M, \ mathbb {Z})}{\ displaystyle K \ in H ^ {2} ( M, \ mathbb {Z})} и, следовательно, только конечное число структур Spin с непустым пространством модулей.

Инварианты Зайберга – Виттена

Инвариант Зайберга – Виттена четырехмерного многообразия M с b 2 (M) ≥ 2 является отображением спиновых структур на M на Z . Значение инварианта спиновой структуры легче всего определить, когда пространство модулей нульмерно (для общей метрики). В этом случае значение - это количество элементов пространства модулей, подсчитанное со знаками.

Инвариант Зайберга – Виттена также можно определить, когда b 2 (M) = 1, но тогда это зависит от выбора камеры.

Многообразие M называется простым типом, если инвариант Зайберга-Виттена обращается в нуль, если ожидаемая размерность пространства модулей отлична от нуля. Гипотеза простого типа утверждает, что если M односвязно и b 2 (M) ≥ 2, то многообразие имеет простой тип. Это верно для симплектических многообразий.

Если многообразие M имеет метрику положительной скалярной кривизны и b 2 (M) ≥ 2, то все инварианты Зайберга – Виттена для M равны нулю.

Если многообразие M является связной суммой двух многообразий, каждое из которых имеет b 2 ≥ 1, то все инварианты Зайберга – Виттена многообразия M равны нулю.

Если многообразие M односвязно и симплектическое и b 2 (M) ≥ 2, то оно имеет спиновую структуру s, на которой инвариант Зайберга – Виттена равен 1. В частности, оно не может быть разделенным в виде связной суммы многообразий с b 2 ≥ 1.

Ссылки
Последняя правка сделана 2021-06-07 09:00:57
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте