Введение
Некоммутативная геометрия (NCG) — это раздел математики, изучающий геометрический подход к некоммутативным алгебрам и построение пространств, локально представляемых некоммутативными алгебрами функций, возможно, в обобщенном смысле. Некоммутативная алгебра — это ассоциативная алгебра, в которой умножение некоммутативно, то есть не всегда выполняется равенство ; или, в более общем случае, алгебраическая структура, в которой одна из основных бинарных операций некоммутативна. Допускается также наличие дополнительных структур, например, топологии или нормы, которые могут быть определены на некоммутативной алгебре функций. Глубокое понимание некоммутативных пространств достигается через операторные алгебры, то есть алгебры ограниченных линейных операторов в гильбертовом пространстве. Одним из типичных примеров некоммутативного пространства является "некоммутативный тор", который сыграл ключевую роль в раннем развитии этой области в 1980-х годах и привёл к созданию некоммутативных аналогов векторных расслоений, связностей, кривизны и т.д.
Noncommutative geometry (NCG) is a branch of mathematics concerned with a geometric approach to noncommutative algebras, and with the construction of spaces that are locally presented by noncommutative algebras of functions, possibly in some generalized sense. A noncommutative algebra is an associative algebra in which the multiplication is not commutative, that is, for which does not always equal ; or more generally an algebraic structure in which one of the principal binary operations is not commutative; one also allows additional structures, e. g. topology or norm, to be possibly carried by the noncommutative algebra of functions. An approach giving deep insight about noncommutative spaces is through operator algebras, that is, algebras of bounded linear operators on a Hilbert space. Perhaps one of the typical examples of a noncommutative space is the "noncommutative torus", which played a key role in the early development of this field in 1980s and lead to noncommutative versions of vector bundles, connections, curvature, etc.
Мотивация
Основная мотивация заключается в расширении коммутативной двойственности между пространствами и функциями на некомутативный случай. В математике пространства, имеющие геометрическую природу, могут быть соотнесены с числовыми функциями на них. Как правило, такие функции образуют коммутативное кольцо. Например, можно взять кольцо C(X) непрерывных комплекснозначных функций на топологическом пространстве X. Во многих случаях (например, если X – компактное хаусдорфово пространство) мы можем восстановить X из C(X), и поэтому имеет смысл говорить, что X обладает коммутативной топологией. Более конкретно, в топологии компактные хаусдорфовы топологические пространства могут быть реконструированы из банаховой алгебры функций на пространстве (Гельфанд — Наймарк). В коммутативной алгебраической геометрии алгебраические схемы локально являются простыми спектрами коммутативных унитальных колец (А. Гротендик), и каждая квази-разделенная схема может быть реконструирована с точностью до изоморфизма схем из категории квазикогерентных пучков модулей (П. Габриэль — А. Розенберг). Для топологий Гротендика кохомологические свойства сайта являются инвариантами соответствующей категории пучков множеств, рассматриваемых абстрактно как топос (А. Гротендик). Во всех этих случаях пространство реконструируется из алгебры функций или ее категорифицированной версии — некоторой категории пучков на этом пространстве. Функции на топологическом пространстве можно умножать и складывать поточечно, следовательно, они образуют коммутативную алгебру; фактически, эти операции локальны относительно топологии базового пространства, поэтому функции образуют пучок коммутативных колец над базовым пространством. Мечта некоммутативной геометрии — обобщить эту двойственность на двойственность между некоммутативными алгебрами, или пучками некоммутативных алгебр, или пучками, подобными некоммутативным алгебраическим или операторским алгебраическим структурам, и геометрическими объектами определенного рода, а также установить взаимодействие между алгебраическим и геометрическим описанием этих объектов посредством этой двойственности. Поскольку коммутативные кольца соответствуют обычным аффинным схемам, а коммутативные C*-алгебры — обычным топологическим пространствам, расширение на некомутативные кольца и алгебры требует нетривиального обобщения топологических пространств как «некоммутативных пространств». По этой причине существует дискуссия о некоммутативной топологии, хотя этот термин имеет и другие значения.
Применение в математической физике
Некоторые приложения в физике частиц описаны в статьях «Некоммутативная стандартная модель» и «Некоммутативная квантовая теория поля». Внезапный всплеск интереса к некомутативной геометрии в физике последовал за спекуляциями относительно её роли в M-теории, высказанными в 1997 году.
Мотивация из эргодической теории
Некоторые из теоретических разработок Алена Конна, используемых для работы с некомутативной геометрией на техническом уровне, восходят к более ранним попыткам, в частности, к эргодической теории. Предложение Джорджа Макки о создании теории виртуальных подгрупп, относительно которой эргодические действия групп должны были бы стать однородными пространствами особого рода, к настоящему времени было учтено и включено в более общую теорию.
Некоммутативные C*-алгебры, алгебры фон Неймана
(Формальные) дуалы некоммутативных C*-алгебр часто сейчас называют некоммутативными пространствами. Это делается по аналогии с представлением Гельфэнда, которое показывает, что коммутативные C*-алгебры двойственны локально компактным хаусдорфовым пространствам. В общем случае, любой C*-алгебре S можно сопоставить топологическое пространство Ŝ; см. спектр C*-алгебры. В связи с дуальностью между σ-конечными пространствами мер и коммутативными алгебрами фон Неймана, некомутативные алгебры фон Неймана называют некоммутативными пространствами мер.
Некоммутативные дифференцируемые коллекторы
Гладкое риманово многообразие M — это топологическое пространство с большим количеством дополнительной структуры. Из алгебры непрерывных функций C(M) мы можем восстановить только M как топологическое пространство. Алгебраическим инвариантом, восстанавливающим риманову структуру, является спектральная тройка. Она строится из гладкого векторного расслоения E над M, например, расслоения внешней алгебры. Гильбертово пространство L2(M, E) квадратично интегрируемых сечений E несет представление C(M) операторами умножения, и мы рассматриваем неограниченный оператор D в L2(M, E) с компактным разрешителем (например, оператор сигнатуры), такой что коммутаторы [D, f] ограничены для всех гладких функций f. Глубокая теорема утверждает, что M как риманово многообразие может быть восстановлено из этих данных. Это наводит на мысль, что можно определить некомутативное риманово многообразие как спектральную тройку (A, H, D), состоящую из представления C*-алгебры A на гильбертовом пространстве H, вместе с неограниченным оператором D на H с компактным разрешителем, таким что [D, a] ограничен для всех a из некоторой плотной подалгебры A. Исследования в области спектральных троек очень активны, и построено множество примеров некомутативных многообразий.
Некоммутативные аффинные и проективные схемы
По аналогии с двойственностью между аффинными схемами и коммутативными кольцами, мы определяем категорию некомутативных аффинных схем как двойственную к категории ассоциативных унитальных колец. В этом контексте существуют определенные аналоги топологии Зариски, позволяющие склеивать такие аффинные схемы в более общие объекты. Существуют также обобщения понятия конуса и Proj коммутативного градуированного кольца, повторяющие теорему Серре о Proj. А именно, категория квазикогерентных пучков модулей над O на Proj коммутативной градуированной алгебры эквивалентна категории градуированных модулей над кольцом, локализованным по подкатегории Серре градуированных модулей конечной длины; существует также аналогичная теорема для когерентных пучков, когда алгебра ноэтерианская. Эта теорема расширена до определения некомутативной проективной геометрии Майклом Артином и Дж. Дж. Чжаном, которые добавляют также некоторые общие кольцетеоретические условия (например, регулярность Артина — Шельтера). Многие свойства проективных схем переносятся в этот контекст. Например, существует аналог знаменитой дуальности Серре для некомутативных проективных схем Артина и Чжана. А. Л. Розенберг разработал довольно общую относительную концепцию некомутативной квазикомпактной схемы (над базовой категорией), абстрагируя изучение Гротендиком морфизмов схем и покрытий в терминах категорий квазикогерентных пучков и плоских локализационных функторов. Существует также другой интересный подход, основанный на теории локализации, благодаря Фреду Ван Ойстейену, Люку Вилларту и Алену Вершорену, где ключевым понятием является схематическая алгебра.
Инварианты для некоммутативных пространств
Некоторые из ключевых вопросов теории связаны с расширением известных топологических инвариантов на формальные дуалы некомутативных (операторских) алгебр и другие замены и кандидаты на роль некомутативных пространств. Одним из основных отправных пунктов в некоммутативной геометрии, развиваемой Аленом Коннесом, стало его открытие новой теории гомологии, ассоциированной с некоммутативными ассоциативными алгебрами и некоммутативными операторскими алгебрами, а именно циклической гомологии и ее связь с алгебраической K-теорией (преимущественно посредством отображения Коннеса — Черна). Теория характеристических классов гладких многообразий была расширена на спектральные тройки с использованием инструментов операторной K-теории и циклической когомологии. Ряд обобщений классических теорем об индексах позволяет эффективно извлекать численные инварианты из спектральных троек. Фундаментальный характеристический класс в циклической когомологии, коцикл JLO, является обобщением классического характера Черна.
В смысле Коннеса
Коннесовое соединение — это некомутативное обобщение понятия соединения в дифференциальной геометрии. Оно было введено Аленом Конном, а позднее обобщено Йоахимом Кунцем и Дэниелом Квилленом.