Русская Википедия:G2-многообразие
<math>G_2</math>-многообразие — семимерное риманово многообразие с группой голономий <math>G_2</math> или её подгруппой. Они имеют важное значение в теории струн, в частности в М-теории.
<math>G_2</math>-многообразия имеют нулевую кривизну Риччи, ориентируемы и обладают спинорной структурой.
Геометрия
Геометрия <math>G_2</math>-многообразий тесно связана с семимерным векторным произведением: именно, это семимерные римановы многообразия, на каждом касательном пространстве к которому имеется векторное произведение, и как тензорное поле оно сохраняется связностью Леви-Чивиты (тем самым само семимерное евклидово пространство с векторным произведением является простейшим примером <math>G_2</math>-многообразия). Это условие означает, что голономия такой метрики лежит в группе <math>G_2</math>: параллельные переносы сохраняют векторное произведение, а группа автоморфизмов такого произведения есть в точности <math>G_2</math>. С другой стороны, если имеется метрика с такой голономией, то теория представлений группы <math>G_2</math> помогает видеть, что в пространстве кососимметрических тензоров типа <math>(2,1)</math> имеется выделенное параллельное одномерное подрасслоение. Его сечение постоянной длины и есть поле семимерных векторных произведений.
Опусканием индексов по метрике из векторного произведения можно получить 3-форму, обыкновенно обозначаемую <math>\phi</math> или <math>\rho</math>. Поскольку она параллельна относительно связности без кручения (а именно связности Леви-Чивиты), она замкнута. Двойственная ей по Ходжу 4-форма также параллельна и замкнута, так что она вдобавок гармонична. Общая 3-форма на семимерном пространстве имеет стабилизатор <math>G_2</math>, так что <math>G_2</math>-многообразия допускают определение в терминах нигде не вырожденной замкнутой 3-формы. Это сближает их с симплектическими многообразиями (многообразиями с нигде не вырожденной замкнутой 2-формой), однако важно понимать, что 3-форма в семимерном пространстве определяет метрику, а 2-форма не определяет метрики никогда.
Тем не менее, важное понятие симплектической геометрии — понятие лагранжева подмногообразия, то есть подмногообразия половинной размерности такого, что 2-форма ограничивается на него тождественным нулём — отчасти переносится на <math>G_2</math>-многообразие. Именно, трехмерное подмногообразие называется ассоциативным, если 4-форма <math>\star\rho</math> зануляется при подставлении в него любых трёх касательных полей к этому подмногообразию (или, что то же самое, 3-форма <math>\rho</math> ограничивается на него как форма трёхмерного риманова объёма). Четырёхмерное же подмногообразие называется коассоциативным, если 3-форма <math>\rho</math> ограничивается на него тождественным нулём (эквивалентно, 4-форма <math>\rho</math> ограничивается на него как форма четырёхмерного риманова объёма). Эти названия объясняются своими альтернативными определениямм через векторное произведение: ассоциативное подпространство в <math>\R^7</math> есть трёхмерное подпространство, замкнутое относительно векторного произведения (или же, если учесть, что семимерное векторное произведение получаетя из умножения мнимых октав, как мнимые кватернионы в мнимых октавах для какого-нибудь вложения алгебр <math>\mathbb{H} \hookrightarrow \mathbb{O}</math>). Коассоциативные подпространства суть в точности ортогональные дополнения ассоциативных, или же подпространства, в которых векторное произведение любых двух векторов перпендикулярно этому подпространству.
Другая аналогия, более употребительная между физиков, сравнивает ассоциативные многообразия с комплексными кривыми в трёхмерных многообразиях Калаби — Яу, а коассоциативные — со специальными лагранжевыми подмногообразиями. И действительно: декартово произведение трёхмерного многообразия Калаби — Яу с риччи-плоской метрикой на окружность есть семимерное многообразие с голономией <math>\mathrm{SU}(3) \subset G_2</math>. При этом произведения комплексных кривых, лежащих в этом многообразии, на окружность являются ассоциативными, а специальных лагранжевых подмногообразий — коассоциативными.
Примечательное свойство семимерного векторного произведения, сближающее его с трёхмерным, состоит в том, что если <math>u</math> — единичный вектор, то для любого перпендикулярного вектора <math>x</math> имеем <math>(x \times u) \times u = -x</math>. Иначе говоря, векторное умножение на единичную нормаль является эндоморфизмом гиперплоскости, возводящимся в квадрат как умножение на <math>-1</math>, то есть попросту комплексная структура. Тем самым, в <math>G_2</math>-многообразии всякая ориентируемая гиперповерхность имеет естественную почти комплексную структуру, которая аналогична структуре римановой поверхности на ориентируемой поверхности в <math>\R^3</math>. Это явление, применительно к семимерному евклидову пространству, открыл Калаби (ещё до введения общих <math>G_2</math>-многообразий). Вместе с тем, в отличие от трёхмерного случая, такая структура крайне редко бывает интегрируемой (сиречь допускающей аналитический атлас из областей комплексного пространства <math>\Complex^3</math>): например, в случае евклидова пространства критерий Калаби утверждает, что эта почти комплексная структура интегрируема тогда и только тогда, когда оператор Вейнгартена гиперповерхности имеет собственные числа <math>\lambda, \mu, \nu, -\lambda, -\mu, -\nu</math>. В частности, эта гиперповерхность должна быть минимальной. Например, стандартная почти комплексная структура на сфере получается как почти комплексная структура Калаби для единичной сферы <math>S^6 \subset \R^7</math>. Наличие на шестимерной сфере интегрируемой почти комплексной структуры является чрезвычайно трудной задачей (известной как гипотеза Черна), касательно статуса которой мнения виднейших геометров далеки от единодушия. Вместе с тем, такие почти комплексные многообразия, как единичная сфера, также имеют интерес для дифференциальной геометрии: они составляют класс т. н. «приблизительно кэлеровых многообразий» (Шаблон:Lang-en — точный перевод на русский пока что не устоялся), то есть почти эрмитовых многообразий, ковариантная производная стандартной 2-формы относительно связности Леви-Чивиты на коих является вполне кососимметричной. Метрический конус над вещественно шестимерным приблизительно кэлеровым многообразием является <math>G_2</math>-многообразием, и обратно, фактор конически симметричного <math>G_2</math>-многообразия (то есть допускающего действие мультипликативной группы <math>\R_{\geqslant 0}</math> гомотетиями) является естественным образом приблизительно кэлеровым.
История
Теорема Берже — Саймонса, доказанная в 1955 году, утверждает, что группа голономии компактного риманова многообразия, не являющегося локально симметрическим, действует транзитивно на единичных касательных векторах. Список таких групп, приведённый Берже, включал в себя как группы, которые к тому времени были известны как группы голономии классических геометрий (например <math>\mathrm{SO}(n)</math>, группа голономии общего риманова многообразия, или <math>\mathrm{U}(n)</math>, группа голономии кэлеровых многообразий), так и такие, которые, как впоследствии выяснилось, могут быть группами голономии только у локально симметрических многообразий (такая как спинорная группа <math>\mathrm{Spin}(16)</math>, которая была исключена из списка Берже Алексеевским). Как считалось долгое время, группа <math>G_2</math>, действующая на семимерном пространстве мнимых октав, также не может быть группой голономии не локально симметрического многообразия, и усилия геометров 1960-х — 1980-х годов были направлены к доказательству этого.
Бонан доказал в 1966 году, что <math>G_2</math>-многообразие допускает параллельные 3-форму и 4-форму, двойственные друг другу при помощи звёздочки Ходжа. В его время, однако, никаких примеров многообразий, группа голономии которых равнялась бы <math>G_2</math>. Первый пример такой метрики на области в <math>\R^7</math> был построен Брайантом в 1987 году. В 1989 году Брайант и Саламон построили <math>G_2</math>-метрики на полных, но некомпактных многообразиях: спинорном расслоении над трёхмерным многообразием постоянной секционной кривизны, и на расслоении антисамодвойственных форм над четырёхмерным эйнштейновым многообразием c самодвойственным тензором Вейля (например четырёхмерной сфере с круглой метрикой или комплексной проективной плоскости с метрикой Фубини-Штуди). Они отчасти аналогичны симплектической структуре на тотальном пространстве кокасательного расслоения (точнее, канонической гиперкэлеровой метрикена голоморфном касательном расслоении к кэлерову многообразию, которая в то время ещё не была известна и будет открыта в 1990-х Файкс и Калединым). Эти частичные результаты считались подтверждениями того, что на компактном многообразии такие метрики невозможны.
В 1994 году, однако, это мнение было опровергнуто: Джойс построил несколько примеров компактных многообразий с группой голономии <math>G_2</math>, найдя способ аналитически разрешать особенности у фактора семимерного тора по конечной группе. В 1998 году Маклин изучил деформации коассоциативных и ассоциативных подмногообразий в замкнутых <math>G_2</math>-многообразиях, в частности, установил, что деформации коассоциативных многообразий описываются в терминах их внутренней геометрии, в то время как ассоциативные многообразия обладают теорией деформаций, описываемой некоторым оператором Дирака, зависящим от вложения в объемлющее пространство, и обыкновенно являются жёсткими. В 2000-х годах была изобретена конструкция скрученной связной суммы Ковалёва, позволяющая строить <math>G_2</math>-многообразия из пары трёхмерных многообразий Фано с некоторыми условиями совместимости. Расслоения на <math>G_2</math>-многообразиях, слои которых коассоциативны (в частности, имеют, как предсказано Маклином, достаточно много деформаций), впервые были построены при помощи такой конструкции, и называются иногда «пучками Ковалёва-Лефшеца» (например, у Дональдсона) по аналогии с расслоениями на эллиптические кривые на K3-поверхностях, исторически называвшиеся «пучками Лефшеца». Обобщение конструкции Ковалёва позволило получить <math>G_2</math>-структуры на десятках тысяч попарно недиффеоморфных компактных многообразий. Кроме того, в этих обобщениях были получены многообразия с ассоциативными подмногообразиями.
Интересная новая связь геометрии <math>G_2</math>-многообразий с комплексной геометрией была установлена в 2011 году Вербицким: пространство узлов в <math>G_2</math>-многообразии является (бесконечномерным) формально кэлеровым многообразием (иными словами, оно хоть и не допускает локальных карт со значениями в комплексном пространстве Фреше с комплексно аналитическими функциями переклейки, но линейно-алгебраическое препятствие к наличию таких карт, тензор Нейенхёйса, на них зануляется; в конечномерном случае, заметим, этого достаточно для наличия комплексно аналитического атласа).
См. также
