广义相对论笔记(八)纤维丛
fengxiaot Lv4

这篇文章是纤维丛理论的笔记。参考的教材为梁灿彬的《微分几何与广义相对论》、陈斌的《广义相对论》梅加强的《流形与几何初步》,分别是物理系和数学系的教材。

纤维丛

纤维丛

左作用/右作用 李群 GG 在流形 MM 上的一个左作用 (left action) 指的是一个 CC^\infty 映射 L:G×MML: G \times M \to M ,满足

  1. Lg:MML_g : M \to M 是微分同胚,gG\forall g \in G
  2. Lgh=LgLh,g,hGL_{gh} = L_g \circ L_h ,\, \forall g,h \in G,即第一分量保群乘法

相应地,李群 GG 在流形 MM 上的一个右作用 (left action) 指的是一个 CC^\infty 映射 R:M×GMR: M \times G \to M ,满足

  1. Rg:MMR_g : M \to M 是微分同胚,gG\forall g \in G
  2. Rgh=RgRh,g,hGR_{gh} = R_g \circ R_h ,\, \forall g,h \in G,即第二分量保群乘法

左作用/右作用的结果 Lg(p)L_g (p)Rg(p)R_g (p) 形式上简记为 gpgppgpg ,但这并不意味着 MM 是一个李群。

/* 注:谨记左作用/右作用的定义不要求流形 MM 是一个李群!左作用/右作用的群结构体现在第一分量上,左作用/右作用是 MM 上的变换群,单位元是 LeL_e,其中 eeGG 的单位元。*/

左作用 LL 称为自由 (free) 的,若 ge    gpp,pMg \neq e \implies gp \neq p,\forall p \in M,即只有单位元对应的左作用为恒等变换。右作用类似。

轨道 集合 {gpgG}\left\{gp \mid g \in G\right\} 称为左作用 LgL_gpp 处的轨道,即 LgL_g 作用在 pp 上所有可能得到的值。右作用 RR 的轨道仿照左作用定义。

纤维丛π:EM\pi : E \to M 为光滑满射,FF 为微分流形,GG 为光滑有效地作用在 FF 上的 Lie 群。如果存在 MM 的开覆盖 {Uα}αΓ\{U_\alpha\}_{\alpha \in \Gamma} 以及微分同胚 ψα:π1(Uα)Uα×F\psi_{\alpha}: \pi^{-1}\left(U_{\alpha}\right) \rightarrow U_{\alpha} \times F 使得

  1. ψ(π1(p))={p}×F,pUα\psi\left(\pi^{-1}(p)\right)=\{p\} \times F, \quad \forall p \in U_{\alpha}

  2. UαUβU_\alpha \cap U_\beta \neq \varnothing 时,存在光滑映射 gβα:UαUβGg_{\beta \alpha}: U_{\alpha} \bigcap U_{\beta} \rightarrow G ,使得

    ψβψα1(p,f)=(p,gβα(p)f),pUαUβ,fF\psi_{\beta} \circ \psi_{\alpha}^{-1}(p, f)=\left(p, g_{\beta \alpha}(p) f\right), \quad \forall p \in U_{\alpha} \cap U_{\beta}, f \in F

则称 EEMM 上的纤维丛π\pi丛投影FF纤维/标准纤维EEMM 分别为总空间底空间GG结构群ψα\psi_\alpha 称为局部平凡化,π1(p)=Ep\pi^{-1}(p)=E_{p} 也称为 pp 处的纤维,并与 FF 微分同胚,gβαg_{\beta \alpha} 为连接函数。

/* 注:纤维丛即局部上看上去像乘积流形 M×FM \times F 的一个丛结构。同时注意区分 FFEpE_p ,虽然它们都叫「纤维」,但EpE_p 是投影映射 π\pipp 处的原像,是流形 EE 上一些点的集合,而 FFEpE_p 局部微分同胚的流形。在引起混淆的场合,我们会把 FF 称作标准纤维,而将纤维一词归给 EpE_p 。*/

向量丛E,ME,M 为微分流形, π:EM\pi : E \to M 为光滑满射。如果存在 MM 的开覆盖 {Uα}\{U_\alpha\} 以及微分同胚 ψα:π1(Uα)Uα×Rn\psi_{\alpha}: \pi^{-1}\left(U_{\alpha}\right) \rightarrow U_{\alpha} \times \mathbb{R}^{n} 满足下面的条件

  1. ψ(π1(p))={p}×Rn,pUα\psi\left(\pi^{-1}(p)\right)=\{p\} \times \mathbb{R}^{n}, \quad \forall p \in U_{\alpha}

  2. UαUβU_\alpha \cap U_\beta \neq \varnothing 时,存在光滑映射 gβα:UαUβGL(n,R)g_{\beta \alpha}: U_{\alpha} \bigcap U_{\beta} \rightarrow \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) ,使得

    ψβψα1(p,v)=(p,gβα(p)v),pUαUβ,vRn\psi_{\beta} \circ \psi_{\alpha}^{-1}(p, v)=\left(p, g_{\beta \alpha}(p) v\right), \quad \forall p \in U_{\alpha} \cap U_{\beta}, v \in \mathbb{R}^{n}

则称 EEMM 上的向量丛,nn 为向量丛的秩,π\pi 为丛投影,EEMM 分别为总空间和底空间,ψα\psi_\alpha 称为局部平凡化,线性空间 π1(p)=EpRn\pi^{-1}(p)=E_{p} \cong \mathbb{R}^npp 处的纤维,gβαg_{\beta \alpha} 为连接函数。连接函数 gβαg_{\beta \alpha} 即坐标变换矩阵。

/* 注:向量丛就是纤维丛定义中 FFRn\mathbb{R}^n ,结构群为一般线性群 GL(n,R)\mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) ,且局部看上去像 M×RnM \times \mathbb{R}^n */

切丛 切丛是总空间为 TMTM ,纤维为流形 MM 上各点的切空间 TpMT_p M 的向量丛。

主丛

主丛π:PM\pi:P \to M 为纤维丛,GG 为李群,pP,xMp \in P,x\in M,且

  1. GGPP 上有自由的右作用 R:P×GPR:P \times G \to P
  2. xMx\in M 处的纤维 PxP_x 为右作用 RR 在主丛上 pπ1(x)p \in \pi^{-1}(x) 处的轨道,即 Px={pggG}P_x = \left\{pg \mid g \in G\right\}
  3. 存在 MM 的开覆盖 {Uα}\{U_\alpha\} 以及微分同胚 ψα:π1(Uα)Uα×G\psi_{\alpha}: \pi^{-1}\left(U_{\alpha}\right) \rightarrow U_{\alpha} \times G 满足 ψ(p)=(π(p),ϕU(p)),pP\psi(p) = (\pi(p),\phi_U (p)),\forall p \in P ,其中映射 ϕU:π1(U)G\phi_U:\pi^{-1}\left(U\right) \to G 是一个等变映射 (equivariant map) ,即 ϕU(pg)=ϕU(p)g\phi_U(pg)= \phi_U(p)g

则称 PPMM 上的主丛 (principal fiber bundle) 。

注:主丛就是纤维丛定义中标准纤维 FF 取作结构群 GG 。条件2要求 RR 作用在纤维 Px={pPπ(p)=x}P_x = \{ p \in P \mid \pi(p) = x\} 上保持纤维不变,从而李群 GG 的结构可以自然地赋予到 PxP_x 上,也就是条件3所做的。若将 ϕU\phi_U 限制在一点 pUPp\in U\subseteq P,则变为 ϕp:π1(π(p))=Pπ(p)G\phi_p :\pi^{-1}(\pi(p)) = P_{\pi(p)} \to G, 这正是 Rp:GPπ(p)R_p : G \to P_{\pi(p)} 的逆映射,其中 RpR_p 是选定了纤维 Pπ(p)P_{\pi(p)} 中的某一点 pp 之后从 R:P×GPR:P \times G \to P 诱导而来的微分同胚。这样若将纤维 Pπ(p)P_{\pi(p)} 中的单位元选为 pp 点,群乘法定义为

(pg)(ph)=p(gh),g,hG(pg) (ph) = p(gh), \, \forall g,h\in G

则纤维 Pπ(p)P_{\pi(p)} 就构成一个李群。但必须注意:纤维 Pπ(p)P_{\pi(p)} 仅仅是同胚于李群,而不具有天然的李群结构!这是由于代表点 ppπ1(x)\pi^{-1}(x) 中可以任意选取,因而纤维中并不存在一个天然的单位元,PxP_x 中的任意一点都可以作为单位元,然后通过 RR 作用得到整个纤维。因此在条件3中,我们只能说存在一个微分同胚 ϕU:π1(U)G\phi_U:\pi^{-1}\left(U\right) \to G 对纤维中任一点 pp 具有性质 ϕU(pg)=ϕU(p)g\phi_U(pg)= \phi_U(p)g ,而「扔掉原点」。李群结构是内蕴于纤维中的。

标架丛π:EM\pi:E \to M 为向量丛,任取 xMx \in Mxx 处纤维 ExE_x 的一组基 {e1,,en}\{e_1,\cdots,e_n\} 称为 xx 处的一个标架。记 xx 处所有标架的集合为 FxF_x ,丛投影 πF:Fxx\pi_F:F_x \mapsto x ,则可以构造一个主丛 F(E)F(E) 如下

F(E)=xMFxF(E) = \bigsqcup_{x\in M} F_x

称为与向量丛 EE 相伴的标架丛 (frame bundle) 。标架丛 F(E)F(E) 有一个由 EE 的结构诱导的自然丛结构:设 (Uα,φα)(U_\alpha,\varphi_\alpha)EE 的局部平凡化,则对于任意的 xMx \in M 存在一个线性同构 φ:ExRn\varphi: E_x \to \mathbb{R}^nF(E)F(E) 的局部坐标由下式给出

ψ:π1(Uα)Uα×GL(n,R)(x,Fx)(x,φ(Fx))\begin{aligned} \psi: \pi^{-1} (U_\alpha) &\to U_\alpha \times \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) \\ (x,F_x) &\mapsto (x,\varphi(F_x)) \end{aligned}

其中 φ(Fx)\varphi(F_x) 表示标架在由 φ\varphi 确定的 ExE_x 的基下的「坐标」,是一个 nn 阶矩阵,由构成标架的每个向量在 ExE_x 基下的坐标排成。

UαUβU_\alpha \cap U_\beta \neq \varnothing 时,假设向量丛 EE 上存在两套不同的局部坐标系,也即对某点 xUαUβx \in U_\alpha \cap U_\beta 来说,纤维 ExE_x 作为线性空间选取了不同的基向量 {e1,,en}\{e_1,\cdots,e_n\}{e1,,en}\{e^\prime_1,\cdots,e^\prime_n\} ,从而 ExE_x 中任一向量的坐标不同。假设基变换矩阵为 PGL(n,R)P \in \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}),即

[e1,,en]=[e1,,en]P[e^\prime_1,\cdots,e^\prime_n] = [e_1,\cdots,e_n] P

F(E)F(E) 的局部平凡化相应地变为

ψ:π1(Uα)Uα×GL(n,R)(x,Fx)(x,P1φ(Fx))\begin{aligned} \psi: \pi^{-1} (U_\alpha) &\to U_\alpha \times \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) \\ (x,F_x) &\mapsto (x, P^{-1} \varphi (F_x)) \end{aligned}

其中 P1GL(n,R)P^{-1} \in \mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) ,可见符合纤维丛的定义。

更进一步地,标架丛是一个主丛。易见其标准纤维和结构群均为一般线性群 GL(n,R)\mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) ,结构群对纤维的右作用即矩阵对应的线性变换对标架的作用。并且没有任何一个标架是特殊的,任一标架都可以选为基,其他标架用在这组基下的坐标描述。一般线性群结构 GL(n,R)\mathrm{GL}(n,\mathbb{R}) 内蕴于标架族中。

标准正交标架丛 如果向量丛 EE 配有一个黎曼丛度量,则每个纤维 EpE_p 不仅是一个线性空间而且是一个内积空间。这样便可以讨论 EpE_p 的所有标准正交标架集合。此时结构群 GGnn 阶正交群 O(n)\mathrm{O}(n) 。特殊地,若向量丛 EE 可定向,则我们可定义 EE 的定向标准正交标架丛,此时结构群 GGnn 阶特殊正交群 SO(n)\mathrm{SO}(n)

切标架丛EE 为切丛 TMTM 即得到切标架丛,记作 F(M)F(M)

主丛上的联络

铅直丛EEMM 上的纤维丛,π:EM\pi : E \to M 为丛投影。铅直丛 (vertical bundle) VEVE 定义为 TETE 的一个子丛

VE=kerπ={ξTEπξ=0}VE = \operatorname{ker} \pi_* = \left\{ \xi \in TE \mid\pi_* \xi =0\right\}

其纤维 VpE=(VE)p=TpEp(TE)pV_p E = (VE)_p = T_p E_p\subset (TE)_p 称为铅锤子空间,铅直子空间中的元素 ξ\xi 称为与纤维相切的向量。

主丛上的联络π:PM\pi:P \to M 为主丛,GG 为结构群。主丛上的联络指的是满足以下条件的映射 {pHp}\{p \mapsto H_p\}

  1. TpP=HpVpT_p P = H_p \oplus V_p
  2. Hpg=(Rg)Hp,pP,gGH_{pg} = (R_g)_* H_p,\,\forall p \in P ,g \in G
  3. HpH_p 随着 pp 光滑地变化