В дифференциальной геометрии метрика Кэлера –Эйнштейна на комплексном многообразии — это риманова метрика , которая является одновременно метрикой Кэлера и метрикой Эйнштейна . Многообразие называется Кэлером–Эйнштейном, если оно допускает метрику Кэлера–Эйнштейна. Наиболее важным частным случаем из них являются многообразия Калаби–Яу , которые являются кэлеровыми и риччи-плоскими .
Важнейшей проблемой в этой области является существование метрик Кэлера–Эйнштейна для компактных кэлерово многообразий. Эту проблему можно разбить на три случая в зависимости от знака первого класса Черна кэлерова многообразия:
Когда первый класс Черна не определен или имеется промежуточная размерность Кодаиры, то нахождение канонической метрики остается открытой проблемой, которая называется гипотезой алгебризации с помощью программы аналитической минимальной модели.
Пусть – риманово многообразие . В физике уравнения поля Эйнштейна представляют собой набор дифференциальных уравнений в частных производных для метрического тензора , которые описывают, как многообразие должно изгибаться из-за существования массы или энергии, величины, инкапсулированной тензором энергии-импульса . В вакууме, где нет ни массы, ни энергии, то есть уравнения поля Эйнштейна упрощаются. А именно, кривизна Риччи является симметричным -тензором, как и сама метрика , и уравнения сводятся к
где скалярная кривизна . То есть кривизна Риччи становится пропорциональной метрике. Риманово многообразие, удовлетворяющее приведенному выше уравнению, называется многообразием Эйнштейна .
Каждое двумерное риманово многообразие является эйнштейновым. С помощью тождеств Бьянки можно доказать , что в любом большем измерении скалярная кривизна любого связного многообразия Эйнштейна должна быть постоянной. По этой причине условие Эйнштейна часто задается как
за действительное число
Когда риманово многообразие также является комплексным многообразием , то есть имеет интегрируемую почти комплексную структуру , можно потребовать совместимости между метрической структурой и комплексной структурой . Существует множество эквивалентных способов формулировки этого условия совместимости, и одна из кратких интерпретаций состоит в том, чтобы спросить, что ортогонально относительно , так что для всех векторных полей и что сохраняется параллельным переносом связи Леви-Чивита , захватываемой состояние . Такая тройка называется кэлеровым многообразием .
Многообразие Кэлера–Эйнштейна — это многообразие, которое сочетает в себе вышеуказанные свойства кэлеровости и допускает метрику Эйнштейна. Сочетание этих свойств подразумевает упрощение уравнения Эйнштейна с точки зрения сложной структуры. А именно, на кэлеровом многообразии можно определить форму Риччи , действительную -форму , выражением
где – любые касательные векторные поля к .
Почти комплексная структура вынуждает быть антисимметричной, а условие совместимости в сочетании с тождеством Бьянки подразумевает, что это замкнутая дифференциальная форма . С римановой метрикой связана форма Кэлера, определяемая аналогичным выражением . Поэтому уравнения Эйнштейна для можно переписать в виде
уравнение Кэлера–Эйнштейна.
Поскольку это равенство замкнутых дифференциальных форм, из него следует равенство ассоциированных классов когомологий де Рама и . Первый класс является первым классом Черна , . Поэтому необходимым условием существования решения уравнения Кэлера–Эйнштейна является то , что для некоторого . Это топологическое необходимое условие на кэлеровом многообразии .
Обратите внимание, что, поскольку кривизна Риччи инвариантна относительно масштабирования , если существует метрика такая , что всегда можно нормализовать к новой метрике с , то есть . Таким образом, уравнение Кэлера – Эйнштейна часто записывают
в зависимости от знака топологической константы .
Ситуация с компактными кэлеровыми многообразиями особенная, поскольку уравнение Кэлера–Эйнштейна можно переформулировать как комплексное уравнение Монжа–Ампера для гладкого кэлерова потенциала на . [5] В силу топологического предположения о кэлеровом многообразии мы всегда можем предположить, что существует некоторая кэлерова метрика . Форма Риччи задается в локальных координатах формулой
По предположению и принадлежат к одному и тому же классу когомологий , поэтому из -леммы теории Ходжа следует, что существует гладкая функция такая, что .
Любая другая метрика связана с потенциалом Кэлера таким, что . Отсюда следует, что если – форма Риччи относительно , то
Таким образом, чтобы сделать, нам нужно найти такое, что
Это, безусловно, будет верно, если то же уравнение будет доказано после удаления производных , и фактически это эквивалентное уравнение по -лемме с точностью до изменения добавлением постоянной функции. В частности, после удаления и возведения в степень уравнение преобразуется в вид
Это уравнение в частных производных похоже на действительное уравнение Монжа-Ампера и известно как комплексное уравнение Монжа-Ампера, и впоследствии его можно изучать с помощью инструментов выпуклого анализа . Его поведение очень чувствительно к знаку топологической константы . Решения этого уравнения появляются как критические точки функционала K-энергии , введенного Тошики Мабучи в пространстве кэлеровых потенциалов в классе .
Проблему существования метрик Кэлера – Эйнштейна можно разделить на три отдельных случая, в зависимости от знака топологической константы . Поскольку форма Кэлера всегда является положительной дифференциальной формой , знак зависит от того, является ли класс когомологий положительным, отрицательным или нулевым. В алгебраической геометрии это понимается в терминах канонического расслоения : тогда и только тогда, когда каноническое расслоение является обильным линейным расслоением , и тогда и только тогда, когда оно обильно. Если – тривиальное линейное расслоение, то . Когда кэлерово многообразие компактно , проблема существования полностью решена.
Когда кэлерово многообразие удовлетворяет топологическому предположению , каноническое расслоение обильно и поэтому должно быть отрицательным. Если необходимое топологическое предположение выполнено, то есть существует метрика Кэлера такая , что Обин и Яу доказали, что метрика Кэлера-Эйнштейна всегда существует. [6] [7] Существование кэлеровой метрики, удовлетворяющей топологическому предположению, является следствием доказательства Яу гипотезы Калаби .
Теорема (Обин, Яу): Компактное кэлерово многообразие всегда допускает метрику Кэлера–Эйнштейна.
Когда каноническое расслоение тривиально, так что многообразие называется Калаби–Яу . Эти многообразия имеют особое значение в физике, где они должны стать основой струнной теории суперструн в 10 измерениях. Математически это соответствует случаю , когда , то есть когда риманово многообразие является плоским по Риччи .
Существование метрики Кэлера–Эйнштейна было доказано в этом случае Яу, используя метод непрерывности, аналогичный случаю, когда . [8] Предположение о топологическом предположении вносит новые трудности в метод непрерывности. Частично благодаря доказательству существования и связанному с ним доказательству гипотезы Калаби Яу был награжден медалью Филдса .
Теорема (Яу): компактное кэлерово многообразие с тривиальным каноническим расслоением, многообразие Калаби–Яу, всегда допускает метрику Кэлера–Эйнштейна и, в частности, допускает плоскую метрику Риччи.
Когда антиканоническое расслоение обильно или, что то же самое , многообразие называется Фано. В отличие от случая метрика Кэлера–Эйнштейна в этом случае не всегда существует. Акито Футаки заметил, что существуют возможные препятствия существованию решения, заданного голоморфными векторными полями , и необходимым условием является неотрицательность инварианта Футаки этих векторных полей. [9] Действительно, гораздо раньше Мацусима и Лихнерович заметили, что еще одним необходимым условием является то, что алгебра Ли голоморфных векторных полей должна быть редуктивной . [10] [11]
В 1993 году Яу выдвинул гипотезу, по аналогии с аналогичной проблемой существования метрик Эрмита–Эйнштейна на голоморфных векторных расслоениях , что препятствие к существованию метрики Кэлера–Эйнштейна должно быть эквивалентно определенному алгебро-геометрическому условию устойчивости, подобному наклонная устойчивость векторных расслоений. [12] В 1997 году Тянь Ган предложил возможное условие устойчивости, которое стало известно как K-стабильность . [13]
Гипотеза Яу была решена в 2012 году Ченом - Дональдсоном - Суном с использованием методов, сильно отличающихся от классического метода непрерывности этого случая , [1] [2] [3] и в то же время Тианом. [4] [14] Чен-Дональдсон-Сун оспорили доказательство Тиана, заявив, что оно содержит математические неточности и материал, который следует отнести к ним. [a] Тиан оспорил эти утверждения. [b] Премия Веблена 2019 года была присуждена Чену-Дональдсону-Суну за доказательство. [15] Дональдсон был награжден премией за прорыв в математике 2015 года частично за его вклад в доказательство, [16] а премия New Horizons Breakthrough Prize 2021 года была присуждена компании Sun частично за его вклад. [17]
Теорема: Компактное многообразие Фано допускает метрику Кэлера–Эйнштейна тогда и только тогда, когда пара K-полистабильна.
Доказательство, основанное на методе непрерывности, которое разрешило этот случай, было позже предоставлено Датаром-Секелихиди, и теперь известны несколько других доказательств. [18] [19] Более подробную информацию см . в гипотезе Яу–Тиана–Дональдсона .
Центральной программой в бирациональной геометрии является программа минимальной модели , которая стремится генерировать модели алгебраических многообразий внутри каждого класса бирациональности, которые в некотором смысле минимальны , обычно в том, что они минимизируют определенные меры сложности (например, арифметический род в случае кривых). В более высоких измерениях ищут минимальную модель, имеющую эффективное каноническое расслоение . Один из способов построения минимальных моделей — сжать внутри алгебраического многообразия определенные кривые , имеющие отрицательное самопересечение. Эти кривые следует рассматривать геометрически как подразнообразия, на которых имеется концентрация отрицательной кривизны.
В этом смысле минимальную модельную программу можно рассматривать как аналог потока Риччи в дифференциальной геометрии, где области концентрации кривизны расширяются или сжимаются с целью сведения исходного риманова многообразия к многообразию с равномерной кривизной (точнее, к новому Риманово многообразие, имеющее равномерную кривизну Риччи, то есть многообразие Эйнштейна). В случае трехмерных многообразий это известно использовал Григорий Перельман для доказательства гипотезы Пуанкаре .
В контексте кэлеровых многообразий поток Кэлера – Риччи был впервые записан Цао. [20] Здесь фиксируется кэлерова метрика с формой Риччи и изучается геометрический поток для семейства кэлеровых метрик, параметризованных :
Когда проективное многообразие имеет общий тип , минимальная модель допускает дальнейшее упрощение до канонической модели с обильным каноническим расслоением. В условиях, когда в этой канонической модели имеются только мягкие ( орбифолдные ) особенности, можно задаться вопросом, сходится ли поток Кэлера-Риччи к (возможно, слегка сингулярной) метрике Кэлера-Эйнштейна на , которая должна существовать в силу существования Яу и Обина результат для .
Точный результат в этом направлении был доказан Кашини и Ла Навом [21] и примерно в то же время Тянь-Чжанем. [22]
Теорема: поток Кэлера–Риччи на проективном многообразии общего типа существует всегда, и после не более чем конечного числа образований особенностей, если каноническая модель имеет в худшем случае орбифолдные особенности, то поток Кэлера–Риччи на сходится к метрика Кэлера–Эйнштейна на , с точностью до ограниченной функции, гладкой вне аналитического подмногообразия .
В случае, когда многообразие имеет размерность два, как и поверхность общего типа, достигается сходимость к метрике Кэлера–Эйнштейна на .
Позже Цзянь Сун и Тиан изучили случай, когда проективное многообразие имеет логтерминальные особенности. [23]
Альтернативное доказательство теоремы Чена–Дональдсона–Суна о существовании метрик Кэлера–Эйнштейна на гладком многообразии Фано можно дать с использованием потока Кэлера–Риччи, и это было выполнено в 2018 году Ченом–Суном–Вангом. [24] А именно, если многообразие Фано K-полистабильно, то поток Кэлера–Риччи существует всегда и сходится к метрике Кэлера–Эйнштейна на многообразии Фано.
Когда каноническое расслоение не является тривиальным, обильным или антиобильным, невозможно запросить метрику Кэлера – Эйнштейна, поскольку класс не может содержать метрику Кэлера, и поэтому необходимое топологическое условие никогда не может быть удовлетворено. Это следует из теоремы вложения Кодаиры .
Естественным обобщением уравнения Кэлера-Эйнштейна на более общий случай произвольного компактного кэлерова многообразия является утверждение, что метрика Кэлера имеет постоянную скалярную кривизну (говорят, что метрика равна cscK ). Скалярная кривизна представляет собой полный след тензора римановой кривизны , гладкой функции на многообразии , а в случае Кэлера условие постоянства скалярной кривизны допускает преобразование в уравнение, аналогичное комплексному уравнению Монжа – Ампера кэлера. – установка Эйнштейна. Многие методы из случая Кэлера-Эйнштейна переходят к настройке cscK, хотя и с дополнительными трудностями, и предполагается, что подобное алгебро-геометрическое условие устойчивости должно предполагать существование решений уравнения в этой более общей ситуации.
Когда компактное кэлерово многообразие удовлетворяет топологическим предположениям, необходимым для того, чтобы условие Кэлера-Эйнштейна имело смысл, уравнение Кэлера постоянной скалярной кривизны сводится к уравнению Кэлера-Эйнштейна.
Вместо того, чтобы задавать вопрос о том, что кривизна Риччи связности Леви-Чивита на касательном расслоении кэлерова многообразия пропорциональна самой метрике, можно вместо этого задать этот вопрос для кривизны связности Черна, связанной с эрмитовой метрикой на любом голоморфном векторном расслоении. над (заметим, что связность Леви-Чивита на голоморфном касательном расслоении является в точности связностью Чженя эрмитовой метрики, вытекающей из структуры Кэлера). Полученное уравнение называется уравнением Эрмита-Эйнштейна и имеет особое значение в калибровочной теории , где оно появляется как частный случай уравнений Янга-Миллса , пришедших из квантовой теории поля , в отличие от регулярных уравнений Эйнштейна, которые приходят из общей теории относительности .
В случае, когда голоморфное векторное расслоение снова является голоморфным касательным расслоением , а эрмитова метрика является метрикой Кэлера, уравнение Эрмита-Эйнштейна сводится к уравнению Кэлера-Эйнштейна. Однако в целом геометрия многообразия Кэлера часто фиксирована, и разрешается изменять только метрику расслоения, и это приводит к тому, что уравнение Эрмита-Эйнштейна легче изучать, чем уравнение Кэлера-Эйнштейна в целом. В частности, полную алгебро-геометрическую характеристику существования решений даёт соответствие Кобаяши–Хитчина .
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)