Кіріспе
Аффиналық байланыстардың жалпылануы
Дифференциалдық геометрияның математикалық саласында Картан байланысы – аффиналық байланыс түсінігінің икемді жалпылануы болып табылады. Оны негізгі байланыстың жалпы ұғымының мамандануы ретінде де қарастыруға болады, онда негізгі шоғырдың геометриясы дәнекерлеу пішінін пайдалана отырып, базалық көптүрліліктің геометриясына байланыстырылады. Картан байланыстары гомогенді кеңістіктерде модельделген көптүрліліктердің геометриясын сипаттайды. Картан байланыстарының теориясын Эли Картан жылжымалы кадрлар (repère mobile) әдісінің (және оны құрастырудың тәсілі) аясында әзірледі. Басты идея – қолдағы геометриялық мәселеге сәйкес келетін жылжымалы кадрларды пайдалана отырып, байланыс пішіндері мен қисықтығы туралы қолайлы ұғымды жасау. Ықтималдық теориясында немесе Риман геометриясында Леви-Чивита байланысын Картан байланысы ретінде алу үшін ортонормальды кадрлар қолданылады. Ли топтары үшін Маурер-Картан кадрлары топтың Маурер-Картан пішінін Картан байланысы ретінде қарау үшін қолданылады. Картан (псевдо) Риман геометриясының дифференциалдық геометриясын, сондай-ақ Ли топтары мен гомогенді кеңістіктерді қоса алғанда, кейбір метрикалық емес құрылыммен жабдықталған көптүрліліктердің дифференциалдық геометриясын қайта тұжырымдады. «Картан байланысы» термині көбінесе Картанның (псевдо) Риман, аффиналық, проективтік немесе конформдық байланысын қалыптастыруына сілтеме жасайды. Бұл ең көп қолданылатын Картан байланыстары болғанымен, олар жалпы ұғымның ерекше жағдайлары болып табылады. Картанның тәсілі алдымен координатқа тәуелді болып көрінеді, себебі ол қатысатын кадрларды таңдауға байланысты. Алайда, бұл солай емес, және бұл ұғымды негізгі шоғырлардың тілін пайдалана отырып дәл сипаттауға болады. Картан байланыстары белгілі бір байланысты шоғырларда ковариантты туындыларды және басқа да дифференциалдық операторларды тудырады, соның салдарынан параллель көшіру ұғымы пайда болады. Олар геометрия мен физикада көптеген қолданымдарға ие: мысалдар үшін жылжымалы кадрлар әдісін, Картан формализмін және Эйнштейн-Картан теориясын қараңыз.
In the mathematical field of differential geometry, a Cartan connection is a flexible generalization of the notion of an affine connection. It may also be regarded as a specialization of the general concept of a principal connection, in which the geometry of the principal bundle is tied to the geometry of the base manifold using a solder form. Cartan connections describe the geometry of manifolds modelled on homogeneous spaces. The theory of Cartan connections was developed by Élie Cartan, as part of (and a way of formulating) his method of moving frames (repère mobile). The main idea is to develop a suitable notion of the connection forms and curvature using moving frames adapted to the particular geometrical problem at hand. In relativity or Riemannian geometry, orthonormal frames are used to obtain a description of the Levi Civita connection as a Cartan connection. For Lie groups, Maurer–Cartan frames are used to view the Maurer–Cartan form of the group as a Cartan connection. Cartan reformulated the differential geometry of (pseudo) Riemannian geometry, as well as the differential geometry of manifolds equipped with some non metric structure, including Lie groups and homogeneous spaces. The term 'Cartan connection' most often refers to Cartan's formulation of a (pseudo )Riemannian, affine, projective, or conformal connection. Although these are the most commonly used Cartan connections, they are special cases of a more general concept. Cartan's approach seems at first to be coordinate dependent because of the choice of frames it involves. However, it is not, and the notion can be described precisely using the language of principal bundles. Cartan connections induce covariant derivatives and other differential operators on certain associated bundles, hence a notion of parallel transport. They have many applications in geometry and physics: see the method of moving frames, Cartan formalism and Einstein–Cartan theory for some examples.
Кіріспе
Геометрияның негізінде кеңістіктегі әртүрлі объектілер арасындағы сәйкестік ұғымы жатыр. 19 ғасырдың соңында сәйкестік туралы түсініктер көбінесе Lie тобының кеңістіктегі әрекеті арқылы қамтамасыз етілді. Lie топтары көбінесе өте қатаң әрекет етеді, сондықтан Картан геометриясы – бұл сәйкестік ұғымының жалпылануы, ол қисықтықтың болуына мүмкіндік береді. Жазық Картан геометриялары – яғни, нөлдік қисықтығы бар геометриялар – жергілікті түрде біртекті кеңістіктерге тең, демек Клейн мағынасындағы геометриялар. Клейн геометриясы G Lie тобынан және G-нің H Lie субтобынан тұрады. G және H бірге G/H біртекті кеңістігін анықтайды, онда G тобы сол жақтан жылжу арқылы әрекет етеді. Клейннің мақсаты сол кезде G әрекетімен сәйкес біртекті кеңістікте өмір сүретін объектілерді зерттеу болды. Картан геометриясы Клейн геометриясының ұғымын әрбір нүктеге Клейн геометриясының көшірмесін қосу арқылы кеңейтеді және бұл көшірмені көпқырлы бетке жанасатын деп қарастырады. Осылайша, көпқырлы беттің геометриясы Клейн геометриясымен шексіз жуық, бірақ жаһандық тұрғыдан мүлдем басқаша болуы мүмкін. Атап айтқанда, Картан геометрияларында G тобының анықталған әрекеті болмайды. Дегенмен, Картан байланысы параллель көшіру арқылы көпқырлы беттің ішіндегі шексіз кішкентай модельдік кеңістіктерді байланыстырудың жолын ұсынады.
Мотивация
3 өлшемді Евклид кеңістігіндегі S тегіс бетін R3 деп қарастырайық. Кез келген нүктеге жақын S-ті сол нүктедегі оның тангенстік жазықтығымен, яғни Евклид кеңістігінің аффиндік субкеңістігімен, шамалауға болады. Аффиндік кіші кеңістіктер модельдік беттер болып табылады, олар R3-дегі ең қарапайым беттер болып табылады және жазықтықтың Евклидтік тобының астында біртекті, сондықтан олар Феликс Клейннің Эрланген бағдарламасы мағынасында Клейн геометриясы болып табылады. Әрбір тегіс бет S әр нүктеде өзіне таянған бірегей аффиндік жазықтықты иеленеді. R3 барлық осындай жазықтықтарының отбасы, S әр нүктесіне бірі қосылған, тангенс жазықтықтарының конгруенті деп аталады. Тангенттік жазықтықты S бойымен "орау" мүмкін, және солай жасағанда, байланыс нүктесі S-те қисық сызықты табады. Керісінше, S-те қисық сызықты ескере отырып, тангенттік жазықтықты сол қисық сызық бойымен орау мүмкін. Бұл афиналық (әрине, Евклидтік) түрлендіру арқылы қисық бойдағы әр түрлі нүктелердегі тангенс жазықтықты анықтаудың жолын ұсынады және афиналық байланыс деп аталатын Картандық байланыстың мысалы болып табылады. Тағы бір мысал, модельдің бетінде жазықтықты алмастыру арқылы, конформальды түрлендірулердің Мёбиус тобының астында гомогенді сфералармен алынады. Әр нүктеде S тегіс бетіне жанасатын бірегей сфера жоқ, өйткені сфераның радиусы анықталмаған. Бұл шардың орта қисықтығы S-пен байланыс нүктесінде бірдей деп болжау арқылы анықталуы мүмкін. Мұндай сфераларды тағы да S-те қисық сызықтармен бірге айналдыруға болады, бұл S-ті конформальды байланыс деп аталатын Картан байланысының басқа түрімен жабдықтайды. 19 ғасырдың аяғы мен 20 ғасырдың басындағы дифференциалдық геометрияшыларды беттердің геометриясын сипаттау үшін ұшақтар немесе сфералар сияқты модельдік отбасыларды пайдалануға қызығушылық танытты. S бетінің әрбір нүктесіне жалғастырылған модель кеңістіктерінің отбасы конгруенция деп аталады: алдыңғы мысалдарында мұндай конгруенцияның каноникалық таңдауы бар. Картандық байланыс S-тегі кез келген қисық бойдағы конгруенттегі модель кеңістіктерінің арасындағы сәйкестендіруді қамтамасыз етеді. Бұл сәйкестендірулердің маңызды ерекшелігі модель кеңістігінің S-пен байланыс нүктесі әрқашан қисықпен бірге қозғалады. Бұл жалпы жағдай Картан байланыстарына тән. Афиналық байланыстарды қазіргі заманғы емдеуде байланыс нүктесі тангенттік жазықтықтағы шығу тегі ретінде қарастырылады (одан кейін векторлық кеңістік), ал шығу тегінің қозғалысы аударма арқылы түзетіледі, сондықтан Картандық байланыстар қажет емес. Алайда, жалпы алғанда, бұны істеудің каноникалық жолы жоқ: әсіресе сфералық конгруенцияның конформдық байланысы үшін түйісу нүктесінің қозғалысын қалған қозғалыстан табиғи жолмен ажырату мүмкін емес. Бұл екі мысалда да модель кеңістігі G/H біртекті кеңістігі болып табылады. Бірінші жағдайда G/H аффиндік жазықтық болып табылады, G = Aff(R2) жазықтық аффиндік тобы, ал H = GL(2) сәйкес келетін жалпы сызықтық тобы. Екінші жағдайда G/H конформальды (немесе аспандық) сфера, G = O+(3,1) (ортохронды) Лоренц тобы, ал H R3,1-дегі нөлдік түзудің тұрақтандырғышы. S-тің Картон геометриясы S-тің әрбір нүктесінде G/H модель кеңістігінің көшірмесі (белгіленген түйісу нүктесімен) және G элементтерін пайдалана отырып, осы көшірмелерді анықтайтын қисық бойдағы "паралельді тасымалдау" ұғымымен бірге. Паралельді тасымалдаудың бұл ұғымы түйісу нүктесі әрқашан қисық бойлай қозғалатыны туралы интуитивті мағынада жалпы. Жалпы алғанда, G H кіші тобы бар топ, ал M G/H-мен бірдей өлшемді көптік болсын. Сонымен, шамамен айтқанда, M-дегі Картан байланысы H-ге төмендетуге қатысты жалпы G байланысы болып табылады.
Псевдотоптар
Картандық байланыстар көпқабаттағы псевдотоптық құрылымдармен тығыз байланысты. Әрқайсысы Клейн геометриясы G/H бойынша модельделген деп саналады, бұл Риман геометриясы Евклид кеңістігінде модельделгенге ұқсас. M көптігінде M-нің әр нүктесіне G/H модельдік кеңістігінің көшірмесін қосатын болсақ болады. Модельдік кеңістіктің симметриясы содан кейін Картан геометриясына немесе псевдотоптық құрылымға жақын нүктелердің модельдік кеңістіктері G-дегі түрлендіру арқылы байланысты деп тұжырымдау арқылы салынады. Картан геометриясы мен псевдотоптық геометрияның арасындағы негізгі айырмашылық – Картан геометриясы үшін симметрия G-дегі (яғни G-дің Ли алгебрасының элементі) шексіз кішігірім түрлендіру арқылы шексіз жақын нүктелерді байланыстырады, ал псевдотоптық құрылым үшін симметрияның ұқсас түсінігі көптік ішінде физикалық түрде бөлінген нүктелер үшін қолданылады. Кеңістіктерді нүктелерге қосу процесі және оған сәйкес келетін симметриялар арнайы координаттар жүйесін пайдалану арқылы нақты жүзеге асырылуы мүмкін. Әр p ∈ M нүктесіне, p-нің Up көршілігі беріледі және картаға φp: Up → G/H қосылады. Осылайша, модельдік кеңістік M-нің әр нүктесіне G/H-ның ашық ішкі жиынтығы ретінде M-ді әр нүктеде жергілікті түрде іске асыру арқылы бекітіледі. Біз бұны M-дегі координаттық жүйелердің отбасы ретінде қарастырамыз, олар M нүктелерімен параметрленген. Егер екі параметрленген координаттық жүйе φ және φ′ үшін p параметрленген элемент hp ∈ H болса, онда φ′p = hp φp. Бұл еркіндік физиктердің өлшегіш туралы түсінігіне сәйкес келеді. Жақын нүктелер оларды қисықпен біріктіру арқылы байланысты. p және p′ М-дегі pt қисығымен қосылған екі нүкте деп есептеңіз. Содан кейін pt модельдік кеңістіктің қисық бойдағы тасымалы туралы түсінікті береді. Тт: G/H → G/H (жергілікті анықтамасы бойынша) құрама картасы τt = φpt o φp0−1 болсын. Интуитивті түрде τt – көлік картасы. Псевдотоптық құрылым τt-нің әр t үшін модельдік кеңістіктің симметриясы болуын талап етеді: τt ∈ G. Картандық байланыс тек τt-нің туындысының модельдік кеңістіктің симметриясы болуын талап етеді: τ′0 ∈ g, G-нің Ли алгебрасы. Картанға тән, Картандық байланыс ұғымын енгізудің бір мотивациясы псевдотоптардың қасиеттерін шексіз көзқарас тұрғысынан зерттеу болды. Картандық байланыс псевдотопты дәл сол кезде анықтайды, егер тасымалдау картасының туындысы τ′ интеграцияланса, осылайша координаттар жүйелері арасындағы нақты (G бағаланған) тасымалдау картасын қалпына келтіреді. Осылайша интеграциялану шарты жұмыс істейді, ал Картанның интеграциялану шарттарын іске асыру әдісі дифференциалдық нысанды енгізу болды. Бұл жағдайда τ′0 p нүктесінде дифференциалдық пішінді келесідей анықтайды. M-дегі γ(t) = pt қисық сызығы үшін p-ден басталатын, біз X тангенс векторымен, сондай-ақ τtγ тасымалдау картасымен байланыстыруымыз мүмкін. Туындыны алу сызықтық картаны анықтайды, сондықтан θ M-де g-ге тең дифференциалдық 1 формасын анықтайды. Алайда бұл форма параметрленген координаттар жүйесінің таңдалуына байланысты. Егер h: U → H - екі параметрленген φ және φ′ координаттық жүйелер арасындағы H қатынасы болса, онда θ-ның сәйкес келетін мәндері де байланысты болады, мұнда ωH - H-ның Маурер-Картан формасы.
φ′p = hp φp. This freedom corresponds roughly to the physicists' notion of a gauge. Nearby points are related by joining them with a curve. Suppose that p and p′ are two points in M joined by a curve pt. Then pt supplies a notion of transport of the model space along the curve. Let τt : G/H → G/H be the (locally defined) composite map
τt = φpt o φp0−1. Intuitively, τt is the transport map. A pseudogroup structure requires that τt be a symmetry of the model space for each t: τt ∈ G. A Cartan connection requires only that the derivative of τt be a symmetry of the model space: τ′0 ∈ g, the Lie algebra of G.
Typical of Cartan, one motivation for introducing the notion of a Cartan connection was to study the properties of pseudogroups from an infinitesimal point of view. A Cartan connection defines a pseudogroup precisely when the derivative of the transport map τ′ can be integrated, thus recovering a true (G valued) transport map between the coordinate systems. There is thus an integrability condition at work, and Cartan's method for realizing integrability conditions was to introduce a differential form. In this case, τ′0 defines a differential form at the point p as follows. For a curve γ(t) = pt in M starting at p, we can associate the tangent vector X, as well as a transport map τtγ. Taking the derivative determines a linear map
So θ defines a g valued differential 1 form on M.
This form, however, is dependent on the choice of parametrized coordinate system. If h : U → H is an H relation between two parametrized coordinate systems φ and φ′, then the corresponding values of θ are also related by
where ωH is the Maurer Cartan form of H.