В дифференциальной геометрии спиновая структура на ориентируемом римановом многообразии ( M , g ) позволяет определить ассоциированные спинорные расслоения , что приводит к появлению понятия спинора в дифференциальной геометрии.
Спиновые структуры имеют широкое применение в математической физике , в частности в квантовой теории поля , где они являются важным компонентом в определении любой теории с незаряженными фермионами . Они представляют также чисто математический интерес в дифференциальной геометрии , алгебраической топологии и теории К. Они составляют основу спиновой геометрии .
В геометрии и теории поля математики задаются вопросом, допускает ли данное ориентированное риманово многообразие ( M , g ) спиноры . Один из способов решения этой проблемы — потребовать, чтобы M имел спиновую структуру. [1] [2] [3] Это не всегда возможно, поскольку потенциально существует топологическое препятствие для существования спиновых структур. Спиновые структуры будут существовать тогда и только тогда, когда второй класс Стифеля–Уитни w 2 ( M ) ∈ H 2 ( M , Z 2 ) группы M обращается в нуль. Более того, если w 2 ( M ) = 0, то на множество классов изоморфизма спиновых структур на M действует свободно и транзитивно со стороны H 1 ( M , Z 2 ). Поскольку многообразие M предполагается ориентированным, первый класс Стифеля–Уитни w 1 ( M ) ∈ H 1 ( M , Z 2 ) многообразия M также обращается в нуль. (Классы Стифеля–Уитни w i ( M ) ∈ H i ( M , Z 2 ) многообразия M определяются как классы Стифеля–Уитни его касательного расслоения TM .)
Тогда расслоение спиноров π S : S → M над M является комплексным векторным расслоением , связанным с соответствующим главным расслоением π P : P → M спиновых реперов над M и спиновым представлением его структурной группы Spin( n ) в пространстве спиноров Δ n . Расслоение S называется спинорным расслоением для данной спиновой структуры на M .
Точное определение спиновой структуры на многообразии стало возможным только после введения понятия расслоения ; Андре Хэфлигер (1956) обнаружил топологическое препятствие существованию спиновой структуры на ориентируемом римановом многообразии, а Макс Каруби (1968) распространил этот результат на неориентируемый псевдориманов случай. [4] [5]
Спиновая структура на ориентируемом римановом многообразии с ориентированным векторным расслоением является эквивариантным подъемом расслоения ортонормированных реперов относительно двойного накрытия . Другими словами, пара представляет собой спиновую структуру на SO( n )-главном расслоении , когда
и для всех и .
Две спиновые структуры , находящиеся на одном и том же ориентированном римановом многообразии, называются «эквивалентными», если существует Spin( n )-эквивариантное отображение такое, что
В данном случае и — два эквивалентных двойных накрытия.
Определение спиновой структуры on как спиновой структуры на главном расслоении принадлежит Андре Хефлигеру (1956).
Хефлигер [1] нашел необходимые и достаточные условия существования спиновой структуры на ориентированном римановом многообразии ( M , g ). Препятствием для спиновой структуры является некий элемент [ k ] из H 2 ( M , Z 2 ). Для спиновой структуры класс [ k ] является вторым классом Стифеля–Уитни w 2 ( M ) ∈ H 2 ( M , Z 2 ) из M . Следовательно, спиновая структура существует тогда и только тогда, когда второй класс Стифеля–Уитни w 2 ( M ) ∈ H 2 ( M , Z 2 ) группы M обращается в нуль.
Пусть M — паракомпактное топологическое многообразие , а E — ориентированное векторное расслоение на M размерности n , снабженное слоеной метрикой . Это означает, что в каждой точке M слой E является пространством внутреннего продукта . Спинорное расслоение E — это рецепт последовательного сопоставления спинового представления каждой точке M. Существуют топологические препятствия для того, чтобы это сделать, и, следовательно, данное расслоение E не может допускать ни одного спинорного расслоения. В этом случае говорят, что расслоение E имеет спин .
Это можно сделать строгим с помощью языка главных расслоений . Совокупность ориентированных ортонормированных фреймов векторного расслоения образует расслоение фреймов P SO ( E ), которое является главным расслоением под действием специальной ортогональной группы SO( n ). Спиновая структура для P SO ( E ) — это подъем P SO ( E ) до главного расслоения P Spin ( E ) под действием спиновой группы Spin ( n ), под которым мы подразумеваем, что существует отображение расслоения : P Spin ( E ) → P SO ( E ) такой, что
где ρ : Spin( n ) → SO( n ) — отображение групп, представляющее спиновую группу как двойное накрытие 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 спином , если главный расслоение SO( n ) ортонормированных базисов касательных слоев M является фактором Z 2 главного спинового расслоения.
Если многообразие имеет клеточное разложение или триангуляцию , спиновую структуру можно эквивалентно рассматривать как гомотопический класс тривиализации касательного расслоения над 1- скелетом , который продолжается над 2-скелетом. Если размерность меньше 3, сначала берут сумму Уитни с тривиальным линейным расслоением.
Для ориентируемого векторного расслоения спиновая структура существует тогда и только тогда, когда второй класс Стифеля–Уитни обращается в нуль. Это результат Армана Бореля и Фридриха Хирцебруха . [6] Кроме того, в случае спина число спиновых структур находится в биекции с . Эти результаты могут быть легко доказаны [7] , стр. 110-111, используя аргумент спектральной последовательности для соответствующего основного -bundle . Обратите внимание, что это дает расслоение
следовательно, можно применить спектральную последовательность Серра . Из общей теории спектральных последовательностей существует точная последовательность
где
Кроме того, при некоторой фильтрации на , следовательно, получаем отображение
давая точную последовательность
Теперь спиновая структура — это в точности двойное покрытие вписывания в коммутативную диаграмму.
где две левые вертикальные карты являются картами двойного покрытия. Теперь двойные покрытия находятся в биекции с индексными подгруппами , которые находятся в биекции с набором групповых морфизмов . Но, исходя из теоремы Гуревича и замены коэффициентов, это именно группа когомологий . Применяя тот же аргумент к , нетривиальное накрытие соответствует , а отображение в в точности соответствует второму классу Штифеля-Уитни, следовательно . Если он исчезает, то прообраз под картой
представляет собой набор двойных накрытий, дающих спиновые структуры. Теперь это подмножество можно отождествить с , показывая, что эта последняя группа когомологий классифицирует различные спиновые структуры векторного расслоения . Это можно сделать, рассмотрев длинную точную последовательность гомотопических групп расслоения
и применив , задав последовательность групп когомологий
Поскольку ядро и прообраз которого находятся в биекции с ядром, мы получаем желаемый результат.
Когда спиновые структуры существуют, неэквивалентные спиновые структуры на многообразии имеют взаимно однозначное соответствие (не каноническое) с элементами из H 1 ( M , Z 2 ), которое по теореме об универсальных коэффициентах изоморфно H 1 ( M , З 2 ). Точнее, пространство классов изоморфизма спиновых структур является аффинным пространством над H 1 ( M , Z 2 ).
Интуитивно понятно, что для каждого нетривиального цикла на M спиновая структура соответствует двоичному выбору того, переключает ли часть расслоения SO( N ) листы, когда кто-то окружает цикл. Если w 2 [8] обращается в нуль, то этот выбор можно распространить на двухскелет , а затем (по теории препятствий ) они могут автоматически распространиться на все M . В физике элементарных частиц это соответствует выбору периодических или антипериодических граничных условий для фермионов , обходящих каждую петлю. Обратите внимание, что на комплексном многообразии второй класс Стифеля-Уитни можно вычислить как первый класс Черна .
Структура спина C аналогична структуре спина на ориентированном римановом многообразии [9] , но использует группу спина C , которая вместо этого определяется точной последовательностью
Чтобы мотивировать это, предположим, что κ : Spin( n ) → U( N ) — комплексное спинорное представление. Центр U( N ) состоит из диагональных элементов, происходящих из включения i : U(1) → U( N ) , т. е. скалярных кратных единицы. Таким образом, существует гомоморфизм
В ядре всегда будет элемент (−1,−1). Факторизируя по модулю этот элемент, мы получаем группу Spin C ( n ). Это испорченный продукт
где U(1) = SO(2) = S1 . Другими словами, группа Spin C ( n ) является центральным расширением SO( n ) посредством S1 .
С другой стороны, Spin C ( n ) — это факторгруппа, полученная из Spin( n ) × Spin(2) по нормали Z2 , которая порождается парой накрывающих преобразований для расслоений Spin( n ) → SO( n ) и Spin(2) → SO(2) соответственно. Это делает группу Spin C одновременно расслоением над окружностью со слоем Spin( n ) и расслоением над SO( n ) со слоем в виде окружности. [10] [11]
Фундаментальная группа π 1 (Spin C ( n )) изоморфна Z , если n ≠ 2, и Z ⊕ Z , если n = 2.
Если многообразие имеет клеточное разложение или триангуляцию , структуру спина C можно эквивалентно рассматривать как гомотопический класс комплексной структуры над 2- скелетом , который простирается над 3-скелетом. Как и в случае со спиновыми структурами, берется сумма Уитни с тривиальным линейным расслоением, если многообразие нечетномерно.
Еще одно определение состоит в том, что спиновая структура C на многообразии N представляет собой комплексное линейное расслоение L над N вместе со спиновой структурой на T N ⊕ L .
Структура спина C существует, когда расслоение ориентируемо и второй класс Стифеля–Уитни расслоения E находится в образе отображения H 2 ( M , Z ) → H 2 ( M , Z /2 Z ) (другими словами , третий целочисленный класс Штифеля–Уитни исчезает). В этом случае говорят, что E — это спин C. Интуитивно понятно, что подъем дает класс Чженя квадрата U(1)-части любого полученного расслоения спина C. По теореме Хопфа и Хирцебруха замкнутые ориентируемые 4-многообразия всегда допускают структуру спина C.
Когда многообразие вообще содержит структуру со спином C , набор структур со спином C образует аффинное пространство. Более того, множество спиновых C- структур обладает свободным транзитивным действием H 2 ( M , Z ) . Таким образом, спиновые C -структуры соответствуют элементам из H 2 ( M , Z ) , хотя и не естественным образом.
Это имеет следующую геометрическую интерпретацию, принадлежащую Эдварду Виттену . Когда структура спина C не равна нулю, это расслоение квадратных корней имеет нецелый класс Черна, что означает, что оно не удовлетворяет условию тройного перекрытия . В частности, произведение функций перехода на трехстороннем пересечении не всегда равно единице, как это требуется для главного расслоения . Вместо этого иногда это -1.
Этот сбой происходит точно в тех же пересечениях, что и тождественный сбой в тройных произведениях переходных функций затрудненного спинового пучка . Следовательно, тройные произведения функций перехода полного расслоения спина c , которые являются произведениями тройного произведения расслоений компонент спина и U(1), равны либо 1 2 = 1 , либо (−1) 2 = 1 , и поэтому расслоение со спином C удовлетворяет условию тройного перекрытия и, следовательно, является допустимым расслоением.
Приведенную выше интуитивную геометрическую картину можно конкретизировать следующим образом. Рассмотрим короткую точную последовательность 0 → Z → Z → Z 2 → 0 , где вторая стрелка — это умножение на 2, а третья — приведение по модулю 2. Это индуцирует длинную точную последовательность на когомологиях, которая содержит
где вторая стрелка индуцируется умножением на 2, третья индуцируется ограничением по модулю 2, а четвертая представляет собой ассоциированный гомоморфизм Бокштейна β .
Препятствием существованию спинового расслоения является элемент w2 из H2 ( M , Z2 ) . Это отражает тот факт, что всегда можно локально поднять расслоение SO(n) до спинового расслоения, но необходимо выбрать подъем Z 2 для каждой переходной функции, что является выбором знака. Подъема не существует, когда произведение этих трех знаков в тройном перекрытии равно −1, что дает картину когомологий Чеха для w 2 .
Чтобы устранить это препятствие, нужно тензорировать это спиновое расслоение с помощью U(1)-расслоения с тем 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.
Законное расслоение U(1) классифицируется по классу Чженя , который является элементом H2 ( M , Z ) . Идентифицируйте этот класс с первым элементом в точной последовательности, указанной выше. Следующая стрелка удваивает этот класс Черна, и поэтому допустимые пакеты будут соответствовать четным элементам во втором H 2 ( M , Z ) , а нечетные элементы будут соответствовать пакетам, которые не удовлетворяют условию тройного перекрытия. Препятствие тогда классифицируется по неспособности элемента во втором H 2 ( M , Z ) находиться в образе стрелки, что, по точности, классифицируется по его изображению в H 2 ( M , Z 2 ) под следующая стрелка.
Чтобы устранить соответствующее препятствие в спиновом пучке, это изображение должно быть w 2 . В частности, если w 2 не входит в образ стрелки, то не существует расслоения U(1) с препятствием, равным w 2 , и поэтому препятствие нельзя устранить. По точности w2 находится в образе предыдущей стрелки только в том случае, если она находится в ядре следующей стрелки, которая, как мы напомним, является гомоморфизмом Бокштейна β. То есть условие устранения препятствия
где мы воспользовались тем, что третий целочисленный класс Штифеля–Уитни W 3 является Бокштейном второго класса Штифеля–Уитни w 2 (это можно принять за определение W 3 ).
Этот аргумент также показывает, что второй класс Стифеля–Уитни определяет элементы не только когомологий Z 2 , но и целых когомологий еще одной более высокой степени. Фактически это справедливо для всех даже классов Стифеля–Уитни. Традиционно используется прописная буква W для получившихся классов нечетной степени, которые называются целыми классами Стифеля – Уитни, и обозначаются их степенью (которая всегда нечетна).
В физике элементарных частиц теорема о спин-статистике подразумевает, что волновая функция незаряженного фермиона представляет собой сечение соответствующего векторного расслоения , связанного с подъемом спина расслоения SO( N ) E . Следовательно, выбор спиновой структуры является частью данных, необходимых для определения волновой функции, и часто необходимо суммировать эти варианты в статистической сумме . Во многих физических теориях E является касательным расслоением , но для фермионов в мировых объёмах D-бран в теории струн это нормальное расслоение .
В квантовой теории поля заряженные спиноры представляют собой секции связанных пучков спина c , и, в частности, никакие заряженные спиноры не могут существовать в пространстве, которое не является спином c . Исключением являются некоторые теории супергравитации , где дополнительные взаимодействия подразумевают, что другие поля могут отменить третий класс Стифеля – Уитни. Математическое описание спиноров в супергравитации и теории струн представляет собой особенно тонкую открытую проблему, которая недавно рассматривалась в литературе. [13] [14] Оказывается, что 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». [13] [15]