G2-многообразие

$G_2$-многообразие — семимерное риманово многообразие с группой голономий $G_2$ или её подгруппой. Они имеют важное значение в теории струн, в частности в М-теории.

$G_2$-многообразия имеют нулевую кривизну Риччи, ориентируемы и обладают спинорной структурой.

Геометрия

Геометрия $G_2$-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 $G_2$-многообразия). Это условие означает, что голономия такой метрики лежит в группе $G_2$: параллельные переносы сохраняют векторное произведение, а группа автоморфизмов такого произведения есть в точности $G_2$. С другой стороны, если имеется метрика с такой голономией, то теория представлений группы $G_2$ помогает видеть, что в пространстве кососимметрических тензоров типа $(2,1)$ 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 $\varphi$ или $\rho$. 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 $G_2$, так что $G_2$-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 $G_2$-многообразие. Именно, трехмерное подмногообразие называется ассоциативным, если 4-форма $\star \rho$ зануляется при подставлении в него любых трёх касательных полей к этому подмногообразию (или, что то же самое, 3-форма $\rho$ ограничивается на него как форма трёхмерного риманова объёма). Четырёхмерное же подмногообразие называется коассоциативным, если 3-форма $\rho$ ограничивается на него тождественным нулём (эквивалентно, 4-форма $\rho$ ограничивается на него как форма четырёхмерного риманова объёма). Эти названия объясняются своими альтернативными определениямм через векторное произведение: ассоциативное подпространство в ${ℝ}^7$ 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 $ℍ\hookrightarrow 𝕆$). 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 $\mathrm{S}\mathrm{U}(3)\subset G_2$. 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 $u$ — единичный вектор, то для любого перпендикулярного вектора $x$ имеем $(x\times u)\times u=-x$. Иначе говоря, векторное умножение на единичную нормаль является эндоморфизмом гиперплоскости, возводящимся в квадрат как умножение на $-1$, то есть попросту комплексная структура. Тем самым, в $G_2$-многообразии всякая ориентируемая гиперповерхность имеет естественную почти комплексную структуру, которая аналогична структуре римановой поверхности на ориентируемой поверхности в ${ℝ}^3$. Это явление, применительно к семимерному евклидову пространству, открыл Калаби (ещё до введения общих $G_2$-многообразий). Вместе с тем, в отличие от трёхмерного случая, такая структура крайне редко бывает интегрируемой (сиречь допускающей аналитический атлас из областей комплексного пространства ${ℂ}^3$): 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 $\lambda ,\mu ,\nu ,-\lambda ,-\mu ,-\nu$. В частности, эта гиперповерхность должна быть минимальной. Например, стандартная почти комплексная структура на сфере получается как почти комплексная структура Калаби для единичной сферы $S^6\subset {ℝ}^7$. 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 $G_2$-многообразием, и обратно, фактор конически симметричного $G_2$-многообразия (то есть допускающего действие мультипликативной группы ${ℝ}_{⩾0}$ 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 $\mathrm{S}\mathrm{O}(n)$, группа голономии общего риманова многообразия, или $\mathrm{U}(n)$, группа голономии кэлеровых многообразий), так и такие, которые, как впоследствии выяснилось, могут быть группами голономии только у локально симметрических многообразий (такая как спинорная группа $\mathrm{S}\mathrm{p}\mathrm{i}\mathrm{n}(16)$, которая была исключена из списка Берже Алексеевским). Как считалось долгое время, группа $G_2$, 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 $G_2$-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 $G_2$. Первый пример такой метрики на области в ${ℝ}^7$ был построен Брайантом в 1987 году. В 1989 году Брайант и Саламон построили $G_2$-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 $G_2$, найдя способ аналитически разрешать особенности у фактора семимерного тора по конечной группе. В 1998 году Маклин изучил деформации коассоциативных и ассоциативных подмногообразий в замкнутых $G_2$-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 $G_2$-многообразия из пары трёхмерных многообразий Фано с некоторыми условиями совместимости. Расслоения на $G_2$-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 $G_2$-структуры на десятках тысяч попарно недиффеоморфных компактных многообразий. Кроме того, в этих обобщениях были получены многообразия с ассоциативными подмногообразиями.

Интересная новая связь геометрии $G_2$-многообразий с комплексной геометрией была установлена в 2011 году Вербицким: пространство узлов в $G_2$-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

• Пространство Калаби — Яу