В дифференциальной геометрии, структура вращения на ориентируемом Риманово многообразие (M, g) позволяет определять ассоциированные спинорные расслоения, что дает начало понятию спинора в дифференциальной геометрии.
Спиновые структуры имеют широкое применение в математической физике, в частности, в квантовой теории поля, где они являются важным ингредиентом в определении любой теории с незаряженными фермионы. Они также представляют чисто математический интерес в дифференциальной геометрии, алгебраической топологии и теории K. Они составляют основу геометрии спина.
В геометрии и в теории поля математики спрашивают, допускает ли данное ориентированное риманово многообразие (M, g) спиноры. Один из способов решения этой проблемы - потребовать, чтобы M имел спиновую структуру. Это не всегда возможно, так как потенциально существует топологическое препятствие для существования спиновых структур. Спиновые структуры будут существовать тогда и только тогда, когда второй класс Штифеля – Уитни w2(M) ∈ H (M, Z2) M обращается в нуль. Кроме того, если w 2 (M) = 0, то на множество классов изоморфизма спиновых структур на M действует свободно и транзитивно H (M, Z2). Поскольку многообразие M предполагается ориентированным, первый класс Штифеля – Уитни w 1 (M) ∈ H (M, Z2) многообразия M также обращается в нуль. (Классы Штифеля – Уитни w i (M) ∈ H (M, Z2) многообразия M определяются как классы Штифеля – Уитни его касательного расслоения TM.)
Расслоение спиноров π S : S → M над M является комплексным векторным расслоением, связанным с соответствующим главным расслоением πP: P→ M спиновых систем над M и спинового представления его структурной группы Spin (n) на пространстве спиноров Δ n. Пучок S называется спинорным расслоением для данной спиновой структуры на M.
Точное определение спиновой структуры на многообразии стало возможным только после того, как было введено понятие расслоения волокон ; Андре Хефлигер (1956) нашел топологическое препятствие к существованию спиновой структуры на ориентируемом римановом многообразии, а Макс Каруби (1968) распространил этот результат на неориентируемый псевдориманов. случай.
Спиновая структура на ориентируемом римановом многообразии (M, g) является эквивариантным поднятием ориентированного ортонормированного расслоения реперов F SO (M) → M относительно двойного накрытия ρ: Spin (n) → SO (n). Другими словами, пара (P,FP) является спиновой структурой на главном расслоении π: F SO (M) → M, когда
Главное расслоение π P: P→ M также называется расслоением спиновых реперов над M.
Две спиновые структуры (P1, F P1) и (P2, F P2) на одном ориентированном римановом многообразии (M, g) называются "эквивалентными "если существует Spin (n) -эквивариантное отображение f: P1→ P2такое, что
Конечно, в этом случае и - два эквивалентных двойных покрытия ориентированного ортонормированного фрейма SO (n) -расслоение F SO (M) → M данного риманова многообразия (M, g).
Это определение спиновой структуры на (M, g) как спиновой структуры на главном расслоении F SO (M) → M дано André Haefliger ( 1956).
Андре Хефлигер нашел необходимые и достаточные условия для существования спиновой структуры на ориентированном римановом многообразии (M, g). Препятствием к наличию спиновой структуры является определенный элемент [k] H (M, Z2). Для спиновой структуры класс [k] является вторым классом Штифеля – Уитни w2(M) ∈ H (M, Z2) группы M. Следовательно, спиновая структура существует тогда и только тогда, когда второй класс Штифеля –Класс Уитни w 2 (M) ∈ H (M, Z2) для M равен нулю.
Пусть M - паракомпакт топологическое многообразие, а E - ориентированное векторное расслоение на M размерности n, снабженный волокном с метрикой. Это означает, что в каждой точке M волокно E является внутренним пространством продукта . Спиновое расслоение E - это рецепт последовательного связывания спинорного представления с каждой точкой M. Существуют топологические препятствия для возможности сделать это, и, следовательно, данное расслоение E может не допускать никаких спинорных расслоений.. В этом случае говорят, что пучок E спиновый.
Это может быть сделано строго с помощью языка основных пакетов. Набор ориентированных ортонормированных фреймов векторного расслоения формирует фрейм-расслоение PSO(E), которое является главным расслоением под действием специальной ортогональной группы SO (п). Спиновая структура для P SO (E) представляет собой подъем P SO (E) до основного пучка P Spin (E) под действием спиновая группа Spin (n), что означает, что существует отображение расслоения φ: P Spin (E) → P SO (E) такое, что
где ρ: Spin (n) → SO (n) - отображение групп, представляющее спиновую группу как двойное покрытие SO (n).
В частном случае, когда E является касательным расслоением TM над базовым многообразием M, если спиновая структура существует, то говорят, что M является спиновым многообразием . Эквивалентно M является спиновым, если SO (n) главное расслоение ортонормированных баз касательных слоев M является Z2фактором основного спинового расслоения.
Если многообразие имеет клеточное разложение или триангуляцию, спиновая структура может эквивалентно рассматриваться как гомотопический класс тривиализации касательной bundle поверх 1- скелета, который простирается на 2-скелет. Если размерность меньше 3, сначала берется сумма Уитни с тривиальным линейным расслоением.
Спиновая структура на векторном расслоении E существует тогда и только тогда, когда второй класс Штифеля – Уитни w2E обращается в нуль. Это результат Армана Бореля и Фридриха Хирцебруха. Обратите внимание, мы предположили, что π E : E → M - это ориентируемое векторное расслоение.
Когда спиновые структуры существуют, неэквивалентные спиновые структуры на многообразии имеют взаимно однозначное соответствие (не каноническое) с элементами H (M, Z2), которое по теореме об универсальных коэффициентах изоморфно H 1 (М, Z2). Точнее, пространство классов изоморфизма спиновых структур - это аффинное пространство над H (M, Z2).
Интуитивно понятно, что для каждого нетривиального цикла на M спиновая структура соответствует двоичному выбору того, переключает ли секция пучка SO (N) листы, когда один из них окружает цикл. Если w 2 обращается в нуль, то эти варианты могут быть расширены на два- каркас, затем (согласно теории препятствий ) они могут автоматически распространяться на все M. В физике элементарных частиц это соответствует выбору периодических или антипериодических граничных условий для фермионов, проходящих вокруг каждого цикла. Обратите внимание, что на сложном многообразии второй класс Штифеля-Уитни может быть вычислен как первый класс Черна .
Спиновая структура аналогична спиновой структуре на ориентированном римановом многообразии, но использует спин-группу, которая является вместо этого определяется точной последовательностью
К Чтобы мотивировать это, предположим, что κ: Spin (n) → U (N) - комплексное спинорное представление. Центр U (N) состоит из диагональных элементов, вытекающих из включения i: U (1) → U (N), то есть скалярных кратных единицы. Таким образом, существует гомоморфизм
Это всегда будет иметь элемент (−1, −1) в ядре. Фактор по модулю этого элемента дает группу Spin (n). Это скрученный продукт
где U (1) = SO (2) = S . Другими словами, группа Spin (n) является центральным расширением SO (n) посредством S.
С другой стороны, Spin (n) - это фактор-группа, полученная из Spin (n) × Spin ( 2) относительно нормального Z2, порожденного парой покрывающих преобразований для расслоений Spin (n) → SO (n) и Spin (2) → SO (2) соответственно. Это делает группу Spin одновременно расслоением над окружностью со слоем Spin (n) и расслоением над SO (n) со слоем окружность.
Фундаментальная группа π 1 (Spin (n)) изоморфен Z, если n ≠ 2, и Z⊕ Z, если n = 2.
Если многообразие имеет разбиение на ячейки или триангуляция, спиновая структура может быть эквивалентно рассмотрена как гомотопический класс сложной структуры по 2- скелету, который простирается по 3-скелету. Как и в случае спиновых структур, берется сумма Уитни с тривиальным линейным расслоением, если многообразие нечетномерно.
Еще одно определение состоит в том, что спиновая структура на многообразии N - это комплексное линейное расслоение L над N вместе со спиновой структурой на TN ⊕ L.
A спиновая структура существует, когда расслоение ориентируемо и второй класс Штифеля – Уитни расслоения E находится в образе отображения H (M, Z ) → H (M, Z/2Z) (иными словами, исчезает третий интегральный класс Штифеля – Уитни). В этом случае говорят, что E - спин. Интуитивно, подъем дает класс Черна квадрата U (1) части любого полученного спинового пучка. По теореме Хопфа и Хирцебруха замкнутые ориентируемые 4-многообразия всегда допускают спиновую структуру.
Когда многообразие вообще несет спиновую структуру, набор спиновых структур образует аффинное пространство. Более того, набор спиновых структур имеет свободное транзитивное действие H (M, Z ). Таким образом, спиновые структуры соответствуют элементам H (M, Z ), хотя и не естественным образом.
Имеет следующую геометрическую интерпретацию, которая принадлежит Эдварду Виттену. Когда спиновая структура отлична от нуля, это расслоение квадратного корня имеет нецелочисленный класс Черна, что означает, что он не выполняет условие тройного перекрытия. В частности, произведение функций перехода на трехстороннем пересечении не всегда равно единице, как требуется для основного пучка. Вместо этого иногда -1.
Этот отказ происходит точно на тех же пересечениях, что и идентичный отказ в тройных произведениях функций перехода заблокированного спинового пучка. Следовательно, тройные произведения функций перехода полного спинового расслоения, которые являются произведениями тройного произведения спиновых и U (1) компонентных связок, равны либо 1 = 1, либо (−1) = 1, и поэтому спиновое расслоение удовлетворяет условию тройного перекрытия и, следовательно, является допустимым пучком.
Приведенная выше интуитивно понятная геометрическая картина может быть конкретизирована следующим образом. Рассмотрим короткую точную последовательность 0 → Z→ Z→ Z2→ 0, где вторая стрелка - это умножение на 2, а третья - уменьшение по модулю 2. Это индуцирует длинная точная последовательность на когомологиях, содержащая
где вторая стрелка индуцируется умножением на 2, третья индуцируется ограничением по модулю 2, а четвертый - ассоциированный гомоморфизм Бокштейна β.
Препятствием к существованию спинового пучка является элемент w 2 из H (M, Z2). Это отражает тот факт, что всегда можно локально поднять пучок SO (n) до спинового пучка, но нужно выбрать подъем Z2для каждой функции перехода, что является выбором знака. Подъем не существует, когда произведение этих трех знаков на тройное перекрытие равно −1, что дает картину когомологий Чеха для w 2.
. Чтобы отменить это препятствие, нужно тензорировать это спиновое расслоение с помощью U (1) связка с таким же препятствием w 2. Обратите внимание, что это злоупотребление словом расслоение, поскольку ни спиновое расслоение, ни расслоение U (1) не удовлетворяют условию тройного перекрытия, и поэтому ни одно из них на самом деле не является расслоением.
Допустимый пакет U (1) классифицируется по его классу Черна, который является элементом H (M, Z ). Отождествите этот класс с первым элементом в указанной выше точной последовательности. Следующая стрелка удваивает этот класс Черна, и поэтому допустимые связки будут соответствовать четным элементам во втором H (M, Z ), а нечетные элементы будут соответствовать связкам, которые не соответствуют условию тройного перекрытия. Затем препятствие классифицируется по тому, что элемент во втором H (M, Z ) не попадает в изображение стрелки, которая, по точности, классифицируется по его изображению в H (M, Z2) под следующей стрелкой.
Чтобы отменить соответствующее препятствие в связке вращения, это изображение должно быть w 2. В частности, если w 2 отсутствует на изображении стрелки, то не существует никакого пучка U (1) с препятствием, равным w 2, и поэтому препятствие не может быть отменен. По точности, w 2 находится в изображении предыдущей стрелки, только если он находится в ядре следующей стрелки, который, как мы помним, является гомоморфизмом Бокштейна β. То есть условием устранения препятствия является
, где мы использовали тот факт, что третий интеграл класс Штифеля – Уитни W 3 - это Бокштейна второго класса Штифеля – Уитни w 2 (это можно принять как определение W 3).
Этот аргумент также демонстрирует, что второй класс Штифеля – Уитни определяет элементы не только когомологий Z2, но и целочисленных когомологий в одной более высокой степени. Фактически это верно для всех четных классов Штифеля – Уитни. Традиционно используется заглавная буква W для результирующих классов нечетной степени, которые называются интегральными классами Штифеля – Уитни и обозначаются своей степенью (которая всегда нечетная).
В физике элементарных частиц теорема спин-статистики подразумевает, что волновая функция незаряженного фермиона представляет собой часть ассоциированного векторного расслоения со спиновым подъемом SO (N) расслоения E. Следовательно, выбор Спиновая структура является частью данных, необходимых для определения волновой функции, и часто необходимо суммировать эти варианты в статистической сумме . Во многих физических теориях E - это касательное расслоение, но для фермионов в мировых объемах D-бран в теории струн это нормальное расслоение.
В квантовой теории поля заряженные спиноры представляют собой части связанных спиновых пучков, и, в частности, никакие заряженные спиноры не могут существовать в пространстве, которое не является спином. Исключение возникает в некоторых теориях супергравитации, где дополнительные взаимодействия подразумевают, что другие поля могут аннулировать третий класс Штифеля – Уитни. Математическое описание спиноров в супергравитации и теории струн - особенно тонкая открытая проблема, к которой недавно обращались в справочных материалах. Оказывается, стандартное понятие спиновой структуры слишком ограничительно для приложений к супергравитации и теории струн, и что правильным понятием спинорной структуры для математической формулировки этих теорий является «липшицева структура».