Кіріспе

Физикада бірінші сыныпты шектеу – бұл шектелген Гамильтон жүйесіндегі динамикалық шама, оның барлық басқа шектеулермен Пойсон жақшасы фазалық кеңістіктегі шектеу бетінде (барлық шектеулердің бірдей нөлге теңеу арқылы жасырын түрде анықталатын бет) жоғалады. Бірінші сыныпты шектеуді есептеу үшін екінші сыныпты шектеулердің жоқ деп қарастырылады немесе олардың бұрын есептелгенін және олардың Дирак жақшалары құрылғандығын қабылдайды. Бірінші және екінші сыныпты шектеулер, симплектикалық форманың дегенерацияланған өлшегіш теориялары сияқты механикалық жүйелерді кванттаудың бір жолы ретінде енгізілген. Бірінші және екінші сыныпты шектеулер терминологиясы бастапқы және екінші шектеулер терминологиясына шатастыратын түрде ұқсас, олардың туындау жолын көрсетеді. Бұл жіктемелер тәуелсіз: бірінші және екінші сыныпты шектеулер бастапқы немесе екінші деңгейлі болуы мүмкін, сондықтан шектеулердің жалпы алғанда төрт түрлі классы бар.

Геометриялық теория

Көбірек көркемдеу үшін, өлшемді талшығы бар векторлық буманы қарастырайық, осы векторлық буманы қосылыммен жабдықтаңыз. Сондай-ақ, осы буманың f тегіс қимасы бар делік. Содан кейін, f-тің қосылымға қатысты ковариантты туындысы – бұл тангенстік бумадан бастап , дейін, негізгі нүктені сақтайтын тегіс сызықтық карта. Бұл сызықтық картаның f нөлдері бар барлық талшықтар үшін оң жақтан керіленетінін (яғни, сәйкестік картасы болатынын) болжаңыз. Содан кейін, имплицитті функция теоремасы бойынша, f нөлдерінің қосалқы кеңістігі – қосалқы көптүрлілік болады. Кәдімгі Пуассон жақшасы тек M-дегі тегіс функциялар кеңістігінде ғана анықталған, . Дегенмен, қосылымды пайдаланып, V тензорларының бағаланған алгебрасы талшықтар ретінде болса, оны f тегіс қималары кеңістігіне кеңейтуге болады. Сондай-ақ, осы Пуассон жақшасы бойынша (ескеріңіз, бұл "кеңейтілген Пуассон жақшасы" үшін бұдан былай жалпы жағдайда дұрыс емес) және f нөлдерінің субкөптүрлігінде (егер осы жақшалар барлық жерде нөлге тең болса, онда шектеулер қабық бойынша жабылады делінеді). Дұрыс керіленетін шарт және ағындардың коммутативтілік шарттары қосылымды таңдауға тәуелді емес екені белгілі болды. Сондықтан, егер біз тек шектелген субкеңістікте жұмыс істесек, қосылымды ескермей кетуге болады.

Интуитивті мағынасы

Бұл нені білдіреді? Бұл Гамильтондық және шектеу ағындары шектелген кіші кеңістікте бір-бірімен коммутациялайды дегенді білдіреді; немесе, егер біз шектелген кіші кеңістіктегі нүктеден бастасақ, Гамильтондық және шектеу ағындары осы нүктені шектелген кіші кеңістіктегі басқа нүктеге жеткізеді. Біз өзімізді тек шектелген кіші кеңістікпен шектегімізді қаласақ, Гамильтондық немесе кез келген басқа физикалық өлшенетін шама тек осы кіші кеңістікте анықталуы керек. Балама ретінде, біз шектелген кіші кеңістікте келісетін симплектикалық көптіктегі тегіс функциялардың эквиваленттілік класын қарастыра аламыз (яғни, f-тер арқылы туындаған идеалға қатысты бөлік алгебрасы). Ескеретін нәрсе, шектелген кіші кеңістіктегі Гамильтондық ағындар Гамильтондық мәніне емес, оның градиентіне байланысты. Бірақ осыдан шығудың оңай жолы бар. f-тер арқылы туындаған симплектикалық ағындардың әрекеті астындағы шектелген кіші кеңістіктің орбиталарын қарастырыңыз. Бұл кіші кеңістіктің жергілікті жапырақтанғанын береді, өйткені ол интегралдану шарттарын қанағаттандырады (Фробениус теоремасы). Егер біз шектелген кіші кеңістіктегі бірдей орбитадағы екі түрлі нүктеден бастап, екі түрлі Гамильтондықтар бойынша оларды дамытсақ, олар шектелген кіші кеңістікте келісетін болса, онда екі нүктенің уақыт бойынша эволюциясы олардың сәйкес Гамильтондық ағындары астында әрқашан бірдей уақытта бірдей орбитада болады. Сондай-ақ, егер бізде A1 және B1 екі тегіс функциясы болса, олар кемінде шектелген кіші кеңістікте орбиталарда тұрақты (яғни физикалық өлшенетін шамалар) (яғни шектелген кіші кеңістікте {A1,f}={B1,f}=0) және тағы екі A2 және B2, олар да орбиталарда тұрақты, сондықтан A1 және B1 тиісінше A2 және B2 шектелген кіші кеңістікте келіседі, содан кейін олардың Пуассон жақшалары {A1, B1} және {A2, B2} де орбиталарда тұрақты және шектелген кіші кеңістікте келіседі. Жалпы, "ергодикалық" ағымдарды (орбитаның кейбір ашық жиынтықта тығыз екенін білдіретін) немесе "субергодикалық" ағымдарды (орбитаның орбитаның өлшемінен үлкен өлшемдегі кейбір субманолифтерде тығыз екенін білдіретін) жобауға болмайды. Өзіне-өзі қиылысатын орбиталар болуы мүмкін емес. Бірінші сыныпты шектеулердің көптеген "практикалық" қолданыстарында мұндай күрделіліктерді көре алмаймыз: f ағындарымен шектелген кіші кеңістіктің үлестік кеңістігі (яғни орбиталық кеңістік) дифференциалданатын көптік ретінде әрекет ету үшін жеткілікті түрде жақсы жүріс-тұрыс көрсетеді, оны М симплектикалық формасын оған проекциялау арқылы симплектикалық көптікке айналдыруға болады (бұл жақсы анықталғанын көрсетуге болады). Бұрын айтылған физикалық өлшенетін шамалар туралы байқауларға сүйене отырып, біз осы "физикалық" кіші симплектикалық көптікпен жұмыс істей аламыз, бірақ 2n өлшемге кем. Жалпы, нақты есептеулер жасағанда (диффеоморфизм шектеулерімен жұмыс істегенде жергілікті емес екенін ескермейтін болсақ) үлестік кеңістікпен жұмыс істеу қиын, сондықтан әдетте соған ұқсас нәрсе жасалады. Белгілі болғандай, шектелген субкөптік - бұл кесір көптікке байланысты бундель (бірақ жалпы алғанда талшықты бундель емес). Сондықтан, бөлшек көптікпен жұмыс істеудің орнына, біз бундельдің қимасымен жұмыс істей аламыз. Бұл өлшегішті орнату деп аталады. Басты мәселе - бұл бундельде жалпы алғанда жаһандық қима болмауы мүмкін. Осы жерде, мысалы, жаһандық аномалиялар "проблемасы" пайда болады. Жаһандық аномалия Грибовтың екіұштылығынан өзгеше, өлшемді орнату өлшемді бірегей түрде орнатуға жұмыс істемегенде, жаһандық аномалияда өлшем өрісінің дәйекті анықтамасы болмайды. Жаһандық аномалия 1980 жылы Виттен ашқан кванттық өлшегіш теориясын анықтауға кедергі келтіреді. Сипатталғандар бірінші сыныпты шектеулер болып табылады. Тағы бір күрделілігі - Δf кодименсиясы 1 немесе одан үлкен шектелген субкөптүрліліктің қосалқы кеңістіктерінде оң жаққа кері ауыстырылмайтын болуы мүмкін (бұл осы мақалада бұрын айтылған күшті болжамға қайшы келеді). Бұл, мысалы, жалпы салыстырмалылық теориясының коттедр формуласында, коттедр өрісі мен байланыс формасы кеңістіктің кейбір ашық қосалқы жиынтығында нөлге тең болатын конфигурациялардың қосалқы кеңістігінде болады. Мұнда шектеулер диффеоморфизмдік шектеулер болып табылады. Мұны айналып өтудің бір жолы: Кемелендіруші шектеулер үшін Δf оң инвертибильділігінің шартын мынаған жеңілдетеміз: f нөлдерінде жоғалатын кез келген тегіс функция f-тің (бірден-бір емес) тегіс қимасы бар векторлық бундельмен (егер бұл екілік векторлық кеңістік болса) векторлық кеңістіктің дуалдық кеңістігімен. Бұл реттелу шарты деп аталады.

Лагранждық гаузер теориясынан алынған шектелген гамильтондық динамика

Біріншіден, біз әрекеттің тек өрістердің бірінші туындысына ғана тәуелді жергілікті Лагранж функциясының интегралы деп есептейміз. Көбірек жалпы жағдайларды талдау мүмкін болғанымен, олар күрделірек. Гамильтон формализміне көшкенде, шектеулердің бар екенін анықтаймыз. Іс-әрекет формализмінде қабықшадағы (on shell) және қабықшадан тыс (off shell) конфигурациялар болады. Қабықшадан тыс сақталатын шектеулер біріншілік шектеулер деп, ал тек қабықшада ғана сақталатындары екіншілік шектеулер деп аталады.

Екінші сыныптық шектеулер

Шектелген Гамильтон жүйесінде, егер динамикалық шаманың кем дегенде бір шектеумен Пуассон жақшасы нөлдік болмаса, онда ол екінші сыныпқа жатады. Демек, егер шектеудің кем дегенде бір басқа шектеумен нөлдік емес Пуассон жақшасы болса, онда ол екінші сыныпты шектеу болып табылады. Әртүрлі мысалдар үшін Дирак жақшаларын қараңыз.