Введение
Четырехмерное полное риманово многообразие, удовлетворяющее вакуумным уравнениям Эйнштейна. В математической физике и дифференциальной геометрии гравитационный инстантон — это четырехмерное полное риманово многообразие, удовлетворяющее вакуумным уравнениям Эйнштейна. Они получили такое название, поскольку являются аналогами инстантонов в теории Янга — Миллса в квантовых теориях гравитации. В соответствии с этой аналогией с самодвойственными инстантонами Янга — Миллса, гравитационные инстантоны обычно рассматриваются как четырехмерное евклидово пространство на больших расстояниях и обладают самодвойственным тензором Римана. Математически это означает, что они являются асимптотически локально евклидовыми (или, возможно, асимптотически локально плоскими) гиперкэлеровыми 4-многообразиями и, в этом смысле, представляют собой особые примеры многообразий Эйнштейна. С физической точки зрения, гравитационный инстантон — это несингулярное решение вакуумных уравнений Эйнштейна с положительно определенной, в отличие от лоренцевой, метрикой. Существует множество возможных обобщений первоначального представления о гравитационном инстантоне: например, можно допустить, чтобы гравитационные инстантоны имели ненулевую космологическую постоянную или тензор Римана, который не является самодвойственным. Также можно ослабить граничное условие, требующее, чтобы метрика была асимптотически евклидовой. Существует множество методов построения гравитационных инстантонов, включая подход Гиббонса — Хокинга, теорию твисторов и гиперкэлерову конструкцию частного отношения.
In mathematical physics and differential geometry, a gravitational instanton is a four dimensional complete Riemannian manifold satisfying the vacuum Einstein equations. They are so named because they are analogues in quantum theories of gravity of instantons in Yang–Mills theory. In accordance with this analogy with self dual Yang–Mills instantons, gravitational instantons are usually assumed to look like four dimensional Euclidean space at large distances, and to have a self dual Riemann tensor. Mathematically, this means that they are asymptotically locally Euclidean (or perhaps asymptotically locally flat) hyperkähler 4 manifolds, and in this sense, they are special examples of Einstein manifolds. From a physical point of view, a gravitational instanton is a non singular solution of the vacuum Einstein equations with positive definite, as opposed to Lorentzian, metric. There are many possible generalizations of the original conception of a gravitational instanton: for example one can allow gravitational instantons to have a nonzero cosmological constant or a Riemann tensor which is not self dual. One can also relax the boundary condition that the metric is asymptotically Euclidean. There are many methods for constructing gravitational instantons, including the Gibbons–Hawking Ansatz, twistor theory, and the hyperkähler quotient construction.
Введение
Гравитационные инстантоны представляют интерес, поскольку они дают понимание квантования гравитации. Например, необходимы положительно определенные асимптотически локально евклидовы метрики, поскольку они удовлетворяют гипотезе о положительном действии; действия, неограниченные снизу, приводят к расходимости в квантовом интеграле по траекториям. Четырехмерное келерово-эйнштейново многообразие обладает самодвойственным тензором Римана. Эквивалентно, самодвойственный гравитационный инстантон является четырехмерным полным гиперкелеровым многообразием. Гравитационные инстантоны аналогичны самодвойственным инстантонам Янга-Миллса. Можно выделить несколько различий в структуре тензора кривизны Римана, касающихся плоскостности и самодвойственности. К ним относятся:
Эйнштейновы (с ненулевой космологической постоянной)
Плоскостность Риччи (тензор Риччи равен нулю)
Конформная плоскостность (тензор Вейля равен нулю)
Самодвойственность
Анти-самодвойственность
Конформно самодвойственные
Конформно анти-самодвойственные
Einstein (non zero cosmological constant)
Ricci flatness (vanishing Ricci tensor)
Conformal flatness (vanishing Weyl tensor)
Self duality
Anti self duality
Conformally self dual
Conformally anti self dual
Таксономия
Указывая "пограничные условия", то есть асимптотику метрики "на бесконечности" на некомпактном римановом многообразии, гравитационные инстантоны разделяются на несколько классов, таких как асимптотически локально евклидовы пространства (АЛЭ-пространства), асимптотически локально плоские пространства (АЛФ-пространства). Они могут быть дополнительно охарактеризованы тем, является ли тензор Римана самодвойственным, является ли тензор Вейля самодвойственным или ни тем, ни другим; являются ли они многообразиями Кэлера; и различными характеристическими классами, такими как характеристика Эйлера, сигнатура Хирцебруха (класс Понтрягина), индекс Рарриты-Швингера (индекс спина 3/2) или, в общем случае, класс Черна. Возможность поддерживать спиновую структуру (то есть допускать согласованные спиноры Дирака) – еще одно привлекательное свойство.
Список примеров
Эгучи и др. приводят ряд примеров гравитационных инстантонов. К ним относятся, в частности: плоское пространство, тор и евклидово пространство де Ситтера, то есть стандартная метрика на 4-сфере. Произведение сфер, метрика Шварцшильда и метрика Керра, инстантон Эгучи–Хансона, приведенный ниже, решение Тауб–НУТ, приведенное ниже, метрика Фубини–Стади на комплексной проективной плоскости. Следует отметить, что комплексная проективная плоскость не поддерживает корректно определенных спиноров Дирака, то есть не имеет спин-структуры. Однако ей можно придать spinc-структуру. Пространство Пейджа – вращающаяся компактная метрика на прямой сумме двух комплексных проективных плоскостей, многоцентровая метрика Гиббонса–Хокинга, приведенная ниже, метрика Тауба-болта и метрика вращающегося Тауба-болта. "Болтовые" метрики имеют сингулярность цилиндрического типа в начале координат, в отличие от "ореховых" метрик, которые имеют сферическую сингулярность координат. В обоих случаях сингулярность координат может быть устранена переходом к евклидовым координатам в начале координат. Поверхности К3, асимптотически локально евклидовы самодвойственные многообразия, включая линзовые пространства, двойные накрытия диэдрических групп, тетраэдрическую группу, октаэдрическую группу и икосаэдрическую группу. Следует отметить, что соответствует инстантону Эгучи–Хансона, а для больших k соответствует многоцентровым метрикам Гиббонса–Хокинга. Это неполный список; существуют и другие примеры.
Flat space , the torus and the Euclidean de Sitter space , i. e. the standard metric on the 4 sphere. The product of spheres The Schwarzschild metric and the Kerr metric The Eguchi–Hanson instanton , given below. The Taub–NUT solution, given below. The Fubini–Study metric on the complex projective plane Note that the complex projective plane does not support well defined Dirac spinors. That is, it is not a spin structure. It can be given a spinc structure, however. Page space, a rotating compact metric on the direct sum of two complex projective planes The Gibbons–Hawking multi center metrics, given below. The Taub bolt metric and the rotating Taub bolt metric. The "bolt" metrics have a cylindrical type coordinate singularity at the origin, as compared to the "nut" metrics, which have a sphere coordinate singularity. In both cases, the coordinate singularity can be removed by switching to Euclidean coordinates at the origin. The K3 surfaces. The asymptotically locally Euclidean self dual manifolds, including the lens spaces , the double coverings of the dihedral groups, the tetrahedral group, the octahedral group, and the icosahedral group. Note that corresponds to the Eguchi–Hanson instanton, while for higher k, the corresponds to the Gibbons–Hawking multi center metrics. This is an incomplete list; there are others.
Примеры
Будет удобно записать гравитационные инстантонные решения ниже, используя левоинвариантные 1-формы на трехмерной сфере S3 (рассматриваемой как группа Sp(1) или SU(2)). Эти формы могут быть определены в терминах углов Эйлера, при этом следует отметить, что для циклической перестановки.
Note that for cyclic.
FLRW-метрики в виде гравитационных инстантонов
В 2021 году было обнаружено, что если рассматривать параметр кривизны слоистой максимально симметричной пространства как непрерывную функцию, то гравитационное действие, представляющее собой сумму действия Эйнштейна — Гильберта и граничного члена Гиббонса — Хокинга — Йорка, сводится к действию точечной частицы. В этом случае траекторией является масштабный фактор, а параметр кривизны интерпретируется как потенциал. Для решений, рассматриваемых таким образом, общая теория относительности принимает вид топологической теории Янга — Миллса.