stringtranslate.com

Экзотическая сфера

В области математики, называемой дифференциальной топологией , экзотическая сфера — это дифференцируемое многообразие M , гомеоморфное , но не диффеоморфное стандартной евклидовой n -сфере . То есть M является сферой с точки зрения всех ее топологических свойств, но несущей гладкую структуру , которая не является привычной (отсюда и название «экзотическая»).

Первые экзотические сферы были построены Джоном Милнором  (1956) в размерности как - расслоения над . Он показал, что на 7-сфере существует по крайней мере 7 дифференцируемых структур. В любой размерности Милнор (1959) показал, что классы диффеоморфизма ориентированных экзотических сфер образуют нетривиальные элементы абелева моноида относительно связной суммы, который является конечной абелевой группой , если размерность не равна 4. Классификация экзотических сфер Мишеля Кервера и Милнора (1963) показала, что ориентированные экзотические 7-сферы являются нетривиальными элементами циклической группы порядка 28 относительно операции связной суммы .

В более общем случае, в любой размерности n ≠ 4 существует конечная абелева группа, элементы которой являются классами эквивалентности гладких структур на S n , где две структуры считаются эквивалентными, если существует сохраняющий ориентацию диффеоморфизм, переносящий одну структуру на другую. Групповая операция определяется как [x] + [y] = [x + y], где x и y — произвольные представители их классов эквивалентности, а x + y обозначает гладкую структуру на гладкой S n , которая является связной суммой x и y. Необходимо показать, что такое определение не зависит от сделанного выбора; на самом деле это можно показать.

Введение

Единичная n -сфера, , представляет собой множество всех ( n +1)-кортежей действительных чисел, таких что сумма . Например, является окружностью, а является поверхностью обычного шара радиуса один в 3 измерениях. Топологи считают пространство X n -сферой, если между ними существует гомеоморфизм , т. е. каждая точка в X может быть сопоставлена ​​ровно одной точке в единичной n -сфере непрерывной биекцией с непрерывной обратной. Например, точка x на n -сфере радиуса r может быть гомеоморфно сопоставлена ​​с точкой на единичной n -сфере путем умножения ее расстояния от начала координат на . Аналогично, n -куб любого радиуса гомеоморфен n -сфере.

В дифференциальной топологии два гладких многообразия считаются гладко эквивалентными, если существует диффеоморфизм из одного в другое, который является гомеоморфизмом между ними, с дополнительным условием, что он должен быть гладким — то есть он должен иметь производные всех порядков во всех своих точках — и его обратный гомеоморфизм также должен быть гладким. Для вычисления производных необходимо иметь локальные системы координат, определенные согласованно в X. Математики (включая самого Милнора) были удивлены в 1956 году, когда Милнор показал, что согласованные локальные системы координат могут быть установлены на 7-мерной сфере двумя различными способами, которые были эквивалентны в непрерывном смысле, но не в дифференцируемом смысле. Милнор и другие начали пытаться выяснить, сколько таких экзотических сфер может существовать в каждом измерении, и понять, как они соотносятся друг с другом. Никакие экзотические структуры невозможны на 1-, 2-, 3-, 5-, 6-, 12-, 56- или 61-мерной сфере. [1] Некоторые многомерные сферы имеют только две возможные дифференцируемые структуры, другие — тысячи. Существуют ли экзотические 4-сферы, и если да, то сколько их — это нерешенная проблема .

Классификация

Моноид гладких структур на n -сферах — это набор ориентированных гладких n -многообразий, гомеоморфных n -сфере, взятый с точностью до сохраняющего ориентацию диффеоморфизма. Операция моноида — это связная сумма . При условии , этот моноид является группой и изоморфен группе классов h -кобордизмов ориентированных гомотопических n -сфер , которая конечна и абелева. В размерности 4 о моноиде гладких сфер почти ничего не известно, кроме того, что он конечен или счетно бесконечен и абелев, хотя предполагается, что он бесконечен; см. раздел о поворотах Глюка. Все гомотопические n -сферы гомеоморфны n -сфере согласно обобщенной гипотезе Пуанкаре , доказанной Стивеном Смейлом в размерностях больше 4, Майклом Фридманом в размерности 4 и Григорием Перельманом в размерности 3. В размерности 3 Эдвин Э. Моисе доказал, что каждое топологическое многообразие имеет по существу уникальную гладкую структуру (см. теорему Моисея ), поэтому моноид гладких структур на 3-сфере тривиален.

Параллелизуемые многообразия

Группа имеет циклическую подгруппу

представлено n -сферами, которые ограничивают параллелизуемые многообразия . Структуры и фактор

описаны отдельно в статье ( Kervaire & Milnor  1963), которая оказала влияние на развитие теории хирургии . Фактически, эти вычисления можно сформулировать на современном языке в терминах точной последовательности хирургии, как указано здесь .

Группа является циклической группой и является тривиальной или имеет порядок 2, за исключением случая , в этом случае она может быть большой, с ее порядком, связанным с числами Бернулли . Она тривиальна, если n четно. Если n равно 1 mod 4, она имеет порядок 1 или 2; в частности, она имеет порядок 1, если n равно 1, 5, 13, 29 или 61, и Уильям Браудер  (1969) доказал, что она имеет порядок 2, если mod 4 не имеет вида . Из почти полностью решенной проблемы инварианта Кервера следует , что она имеет порядок 2 для всех n, больших 126; случай все еще открыт. Порядок для равен

где B — числитель , а — число Бернулли . (Формула в топологической литературе немного отличается, поскольку топологи используют разные соглашения для обозначения чисел Бернулли; в этой статье используются соглашения теоретиков чисел.)

Карта между частными

Фактор-группа имеет описание в терминах стабильных гомотопических групп сфер по модулю образа J-гомоморфизма ; она либо равна фактору, либо индексу 2. Точнее, существует инъективное отображение

где - n- я стабильная гомотопическая группа сфер, а J - образ J -гомоморфизма. Как и в случае , образ J - циклическая группа, и является тривиальным или порядка 2, за исключением случая , в этом случае он может быть большим, с его порядком, связанным с числами Бернулли . Фактор-группа - это "жесткая" часть стабильных гомотопических групп сфер, и, соответственно, является жесткой частью экзотических сфер, но почти полностью сводится к вычислению гомотопических групп сфер. Отображение является либо изоморфизмом (образ - вся группа), либо инъективным отображением с индексом 2. Последнее имеет место тогда и только тогда, когда существует n -мерное оснащенное многообразие с инвариантом Кервера 1, которое известно как проблема инварианта Кервера . Таким образом, фактор 2 в классификации экзотических сфер зависит от проблемы инварианта Кервера.

Проблема инварианта Кервера почти полностью решена, открытым остается только случай , хотя Чжоули Сюй (в сотрудничестве с Вэйнаном Линем и Гочжэнем Ваном) объявил на семинаре в Принстонском университете 30 мая 2024 года, что окончательный случай размерности 126 решен и что существуют многообразия с инвариантом Кервера 1 в размерности 126. Предыдущая работа Браудера (1969) доказала, что такие многообразия существуют только в размерности , и Хилла, Хопкинса и Равенеля (2016), которые доказали, что таких многообразий не существует для размерности и выше. Многообразия с инвариантом Кервера 1 были построены в размерности 2, 6, 14, 30. Хотя известно, что существуют многообразия с инвариантом Кервера 1 в размерности 62, такое многообразие пока не было построено. Аналогично для размерности 126.

Порядок Θн

Порядок группы указан в этой таблице (последовательность A001676 в OEIS ) из (Kervaire & Milnor 1963) (за исключением того, что запись для в их статье неверна в 2 раза; см. исправление в томе III, стр. 97 собрания сочинений Милнора).

Обратите внимание, что для dim тогда , , , и . Дальнейшие записи в этой таблице могут быть вычислены из информации выше вместе с таблицей стабильных гомотопических групп сфер .

С помощью вычислений стабильных гомотопических групп сфер Ван и Сюй (2017) доказывают, что сфера S 61 имеет уникальную гладкую структуру и что это последняя нечетномерная сфера с этим свойством — единственными являются S 1 , S 3 , S 5 и S 61 .

Явные примеры экзотических сфер

Когда в середине 50-х я наткнулся на такой пример, я был очень озадачен и не знал, что с этим делать. Сначала я думал, что нашел контрпример к обобщенной гипотезе Пуанкаре в размерности семь. Но тщательное изучение показало, что многообразие действительно гомеоморфно . Таким образом, существует дифференцируемая структура на , не диффеоморфная стандартной.

Джон Милнор (2009, стр.12)

Строительство Милнора

Одним из первых примеров экзотической сферы, найденных Милнором (1956, раздел 3), был следующий. Пусть будет единичным шаром в , и пусть будет его границей — 3-сферой, которую мы отождествляем с группой единичных кватернионов . Теперь возьмем две копии , каждая с границей , и склем их вместе, отождествив на первой границе с на второй границе. Полученное многообразие имеет естественную гладкую структуру и гомеоморфно , но не диффеоморфно . Милнор показал, что оно не является границей никакого гладкого 8-многообразия с исчезающим 4-м числом Бетти и не имеет диффеоморфизма, обращающего ориентацию, на себя; любое из этих свойств означает, что оно не является стандартной 7-сферой. Милнор показал, что это многообразие имеет функцию Морса всего с двумя критическими точками , обе невырожденные, что подразумевает, что оно топологически является сферой.

Сферы Брискорна

Как показал Эгберт Брискорн  (1966, 1966b) (см. также (Хирцебрух и Майер 1968)) пересечение комплексного многообразия точек в удовлетворяющем

с небольшой сферой вокруг начала координат для дает все 28 возможных гладких структур на ориентированной 7-сфере. Подобные многообразия называются сферами Брискорна .

Скрученные сферы

Учитывая (сохраняющий ориентацию) диффеоморфизм , склеивание границ двух копий стандартного диска вместе с помощью f дает многообразие, называемое скрученной сферойскручиванием f ). Оно гомотопически эквивалентно стандартной n -сфере, поскольку склеивающее отображение гомотопно тождеству (будучи диффеоморфизмом, сохраняющим ориентацию, следовательно, имеет степень 1), но в общем случае не диффеоморфно стандартной сфере. (Milnor 1959b) Принимая в качестве группы скрученных n -сфер (под суммой соединений), получаем точную последовательность

Для , каждая экзотическая n -сфера диффеоморфна скрученной сфере, результат, доказанный Стивеном Смейлом , который можно рассматривать как следствие теоремы о h -кобордизме . (Напротив, в кусочно-линейной постановке самое левое отображение происходит на через радиальное расширение : каждая кусочно-линейно-скрученная сфера является стандартной.) Группа скрученных сфер всегда изоморфна группе . Обозначения различаются, поскольку сначала не было известно, что они одинаковы для или 4; например, случай эквивалентен гипотезе Пуанкаре .

В 1970 году Жан Серф доказал теорему о псевдоизотопии , из которой следует, что является тривиальной группой, приведённой , и, следовательно, приведённой .

Приложения

Если Mкусочно-линейное многообразие , то задача нахождения совместимых гладких структур на M зависит от знания групп Γ k = Θ k . Точнее, препятствия к существованию любой гладкой структуры лежат в группах H k+1 ( M , Γ k ) для различных значений k , в то время как если такая гладкая структура существует, то все такие гладкие структуры можно классифицировать с помощью групп H k ( M , Γ k ) . В частности, группы Γ k исчезают, если k < 7 , поэтому все PL-многообразия размерности не более 7 имеют гладкую структуру, которая по существу уникальна, если многообразие имеет размерность не более 6.

Следующие конечные абелевы группы по сути одинаковы:

4-мерные экзотические сферы и повороты Глюка

В 4 измерениях неизвестно, существуют ли какие-либо экзотические гладкие структуры на 4-сфере. Утверждение, что их не существует, известно как «гладкая гипотеза Пуанкаре» и обсуждается Майклом Фридманом , Робертом Гомпфом и Скоттом Моррисоном и др. (2010), которые говорят, что это считается ложным.

Некоторые кандидаты, предложенные для экзотических 4-сфер, — это сферы Каппелла–Шейнсона ( Сильвен Каппелл и Юлиус Шейнсон  (1976)) и те, которые получены с помощью скручиваний Глюка (Глюк 1962). Скручивания Глюка строятся путем вырезания трубчатой ​​окрестности 2-сферы S в S 4 и склеивания ее обратно с помощью диффеоморфизма ее границы S 2 × S 1 . Результат всегда гомеоморфен S 4 . Многие случаи на протяжении многих лет были исключены как возможные контрпримеры к гладкой 4-мерной гипотезе Пуанкаре. Например, Кэмерон Гордон  (1976), Хосе Монтесинос (1983), Стивен П. Плотник (1984), Гомпф (1991), Хабиро, Марумото и Ямада (2000), Селман Акбулут  (2010), Гомпф (2010), Ким и Ямада (2017).

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Беренс, М.; Хилл, М.; Хопкинс, М.Дж.; Маховальд, М. (2020). «Обнаружение экзотических сфер в низких размерностях с использованием кокера J». Журнал Лондонского математического общества . 101 (3): 1173–1218. arXiv : 1708.06854 . doi : 10.1112/jlms.12301. ISSN  1469-7750. S2CID  119170255.

Внешние ссылки