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.

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

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.

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.

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.