1. Einleitung

S. K. Donaldson führte Anfang der 80er Jahre eine auf eichtheoretischen Methoden beruhende Methode zur Untersuchung 4-dimensionaler glatter Mannigfaltigkeiten ein [Don83]. Dabei wird einer solchen Mannigfaltigkeit eine Teilmenge des Lösungsraums der Yang-Mills-Gleichung bezüglich der Eichgruppe SU(2) als Invariante zur Seite gestellt bzw. aus dieser eine Invariante abgeleitet. In Kombination mit einem Resultat von M. Freedman [Fre82], welches ein Jahr zuvor veröffentlicht wurde, konnte daraus gefolgert werden, dass viele topologische 4-Mannigfaltigkeiten nicht mit einer differenzierbaren Struktur versehen werden können. Etwa ein Jahrzehnt danach erkannte E. Witten [Wit94], dass Überlegungen zu supersymmetrischen 𝒩︀=2 Yang-Mills-Theorien, welche er zusammen mit N. Seiberg im Jahr 1994 veröffentlicht hatte [SW94a, SW94b], dabei helfen konnten ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Die Gleichungen, die er aufstellte, führten im Vergleich zur Theorie von S. K. Donaldson zu einer deutlich einfacheren Theorie, da sie eine abelsche Eichtheorie verwendeten, und sie werden heute als Seiberg-Witten-Gleichungen bezeichnet. Sie kombinieren die Dirac-Gleichung für ein masseloses, positiv-chirales Dirac-Spinorfeld mit einer quadratischen Gleichung für ein 𝑈(1)-Eichfeld an das der Dirac-Spinor gekoppelt wird. Die Menge der Lösungen dieser Gleichungen bis auf Eichtransformationen bezeichnen wir als den Modulraum der Seiberg-Witten-Gleichungen. Die Studie dessen ist interessant, da mit ihr die Konstruktion der Seiberg-Witten-Invariante einhergeht, eine ganzzahlige Invariante, die feiner ist als eine topologische und insbesondere von der auf der Basis-Mannigfaltigkeit gewählten glatten Struktur abhängt.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, dem Seiberg-Witten-Modulraum einer kompakten, einfach zusammenhängenden, Riemannschen 4-Mannigfaltigkeit 𝑀 mit 𝑏+(𝑀)>0 eine Struktur als endlich-dimensionale Mannigfaltigkeit zu geben und die Dimension dieser Mannigfaltigkeit zu berechnen. Dabei benutzen wir eine verallgemeinerte Version des Satzes vom regulären Wert für unendlich-dimensionale Mannigfaltigkeiten, die uns die gesuchte Dimension in Form des Fredholm-Index des positiven Dirac-Operators und der Euler-Charakteristik eines gewissen zu 𝑀 gehörigen elliptischen Komplexes liefert. Für die Berechnung des Fredholm-Index des Dirac-Operators nutzen wir einen Spezialfall des Atiyah-Singer-Indexsatzes, der den Index und damit die Dimension des Modulraums in Abhängigkeit von topologischen Invarianten von 𝑀 und den Vektorbündeln, bezüglich derer der Dirac-Operator definiert ist, liefert.

Zuerst werden wir in Kapitel 2 Begriffe wie den eines Hauptfaserbündels, einer Reduktion der Strukturgruppe und den eines induzierten Zusammenhangs auf einem assoziierten Vektorbündel einführen. Da bei der Formulierung der Seiberg-Witten-Gleichungen eine abelsche Eichtheorie auftritt, achten wir insbesondere auf die in diesem Fall eintretenden Vereinfachungen. Anschließend können wir in Kapitel 3 den Begriff einer Spin- bzw. Spin-Struktur sowie den Dirac-Operator einer semi-Riemannschen Spin- bzw. Spin-Mannigfaltigkeit einführen. Das Kapitel 4 beschäftigt sich mit den Seiberg-Witten-Gleichungen. Zuerst wird der Begriff eines linearen Differentialoperators zwischen Schnitten in Vektorbündeln und des Hauptsymbols eines solchen erklärt. Anschließend stellen wir den Begriff eines elliptischen Komplexes vor und erläutern die Eigenschaften des Hodge-Stern-Operators einer Riemannschen 4-Mannigfaltigkeit. Dann lassen sich die Seiberg-Witten-Gleichungen formulieren. Anschließend folgt eine vorbereitende Diskussion des Begriffs einer Banach-Mannigfaltigkeit und der Fredholm-Abbildungen mit Rückgriff auf den Begriff eines elliptischen Komplexes. In diesem Abschnitt berechnen wir die nötigen Indizes, die wir zur Dimensionsberechnung benötigen. Die nachfolgenden Abschnitte legen die Dimensionsberechnung des Modulraums mit Hilfe des Satzes vom regulären Wert dar.

2. Eichtheorie

Ziel dieses Kapitels ist es, die nötigen Begriffe der mathematischen Eichtheorie einzuführen, damit in Kapitel 3 die Grundbegriffe der Spingeometrie und darauf aufbauend in Kapitel 4 die Seiberg-Witten-Gleichungen beschrieben werden können. Wir definieren den Begriff eines Hauptfaserbündels und eines Zusammenhangs in einem Hauptfaserbündel sowie in dazu assoziierten Vektorbündeln. Vorausgesetzt werden die Begriffe einer Mannigfaltigkeit, eines Vektorbündels, eines Tensorprodukts von Vektorbündeln und der einer Differentialform mit Werten in einem Vektorraum. Diese können in Literatur zur Differentialgeometrie, z. B. [Lee12], nachgelesen werden. Wenn nicht anders gekennzeichnet, folgen die Definitionen denen aus [Bau14].

2.1. Lie-Gruppen und Lie-Algebren

Zuerst führen wir den Begriff einer Lie-Gruppe ein. Dies sind die punktweisen Symmetrien, unter denen die Lösungsräume von Eichtheorien invariant sind.

Definition 2.1.1 Eine Lie-Gruppe ist eine Mannigfaltigkeit 𝐺, die gleichzeitig eine Gruppe ist, mit der Eigenschaft, dass die Abbildung auf das Inverse und die Multiplikation glatt sind.

Eine Vielzahl bekannter Gruppen sind Lie-Gruppen. Im Folgenden finden sich einige wichtige Beispiele.

Beispiel 2.1.2

  1. Jeder endlich-dimensionale reelle oder komplexe Vektorraum mit der Addition von Vektoren als Gruppenoperation bildet eine Lie-Gruppe, da die Abbildung auf das Inverse und die Addition linear bzw. bilinear und somit glatt sind.

  2. Die Gruppen GL(𝑛,) und GL(𝑛,) mit den kanonischen Strukturen als Untermannigfaltigkeiten von 𝑛2 bzw. 2𝑛2 sind Lie-Gruppen, da die Multiplikation und die Abbildung auf das Inverse in jedem Eintrag polynomiell und somit glatt sind.

  3. Aus dem nächsten Lemma folgt, dass die Sphäre 𝑆1{𝑧||𝑧|=1} zusammen mit der komplexen Multiplikation als abgeschlossene Untergruppe der Lie-Gruppe GL(1,) eine Lie-Gruppe bildet.

Lie-Gruppen können auf verschiedene Arten konstruiert werden. Insbesondere werden wir mit dem folgenden Lemma in Kapitel 3 die sogenannten Spin- und Spin-Gruppen konstruieren.

Lemma 2.1.3

  1. Jede abgeschlossene Untergruppe einer Lie-Gruppe ist selbst wieder eine Lie-Gruppe.

  2. Sind 𝐺,𝐻 Lie-Gruppen, so ist ihr Produkt 𝐺×𝐻 als Produktmannigfaltigkeit zusammen mit der komponentenweisen Multiplikation wieder eine Lie-Gruppe.

  3. Ist 𝑁𝐺 eine abgeschlossene Untergruppe des Zentrums einer Lie-Gruppe 𝐺, d. h. alle Elemente in 𝑁 kommutieren mit allen Elementen in 𝐺, dann besitzt die Menge aller Linksnebenklassen

    𝐺/𝑁{{𝑔𝑛|𝑛𝑁}|𝑔𝐺}

    eine eindeutige Struktur als Lie-Gruppe, sodass die Projektionsabbildung 𝜋:𝐺𝐺/𝑁 ein glatter Gruppenhomomorphismus und eine Submersion wird.

Beweis: Siehe Satz 1.21 und Satz 1.24 in [Bau14].

Beispiel 2.1.4 Beispiele abgeschlossener Untergruppen von Lie-Gruppen sind 𝑂(𝑛),SO(𝑛),𝑈(𝑛) und SU(𝑛) als Untergruppen von GL(𝑛,) bzw. GL(𝑛,), SO(𝑟,𝑠) als Untergruppe von GL(𝑟+𝑠,) und die Spin-Gruppe, welche wir in Kapitel 3 einführen werden, als Untergruppe der invertierbaren Elemente der sogenannten Clifford-Algebra. Ein Beispiel für eine Lie-Gruppe, die als Quotient entsteht, ist der Torus 𝑇2=2/2 aber auch die Spin-Gruppe, welche wir auch in Kapitel 3 einführen werden.

Definition 2.1.5 Seien 𝐺,𝐻 Lie-Gruppen. Ein Lie-Gruppen-Homomorphismus ist ein Gruppenhomomorphismus 𝜙:𝐺𝐻, welcher gleichzeitig eine glatte Abbildung ist. Wenn 𝜙 zusätzlich ein Diffeomorphismus ist, heißen 𝐺 und 𝐻 isomorph.

Beispiel 2.1.6 Die Lie-Gruppen 𝑈(1) und 𝑆1 sind isomorph. In der mathematischen Literatur wird meist die Schreibweise 𝑆1 bevorzugt, da ein Element 𝑧𝑆1 auf natürliche Weise als Endomorphismus eines komplexen Vektorraums per Multiplikation betrachtet werden kann. In der physikalischen Literatur wird andererseits meist die Schreibweise 𝑈(1) bevorzugt.

Über Lie-Gruppen-Homomorphismen lässt sich außerdem das folgende bemerkenswerte Lemma formulieren, welches wir zum Beispiel in Kapitel 3 benutzen werden, um zu zeigen, dass eine dort definierte Darstellung tatsächlich glatt ist.

Lemma 2.1.7 Wenn 𝐺,𝐻 Lie-Gruppen sind und 𝜙:𝐺𝐻 ein stetiger Gruppenhomomorphismus ist, dann ist 𝜙 schon glatt, also ein Lie-Gruppen-Homomorphismus.

Beweis: Siehe Satz 1.9. in [Bau14].

Wir führen nun den Begriff der Lie-Algebra einer Lie-Gruppe ein, welchen wir beispielsweise benötigen werden, um den Begriff einer Zusammenhangsform auf einem Hauptfaserbündel einführen zu können, welche eine Differentialform mit Werten in der Lie-Algebra sein wird. Zuerst benötigen wir die folgenden Abbildungen.

Definition 2.1.8 Sei 𝐺 eine Lie-Gruppe. Die Gruppenmultiplikation induziert für alle 𝑎𝐺 die Links- und Rechtstranslation mit 𝑎, d. h.

𝐿𝑎:𝐺𝑔𝑎𝑔𝐺und𝑅𝑎:𝐺𝑔𝑔𝑎𝐺.

Die Inversen zu 𝐿𝑎 bzw. 𝑅𝑎 sind 𝐿𝑎1 bzw. 𝑅𝑎1. Aus der Definition einer Lie-Gruppe folgt insbesondere, dass diese Abbildungen Diffeomorphismen sind. Somit können wir die folgende Definition aufstellen.

Bemerkung 2.1.9 Die Abbildung 𝔤𝑋𝑋𝑒𝑇𝑒𝐺 ist bijektiv. Die inverse Abbildung ordnet jedem Tangentialvektor 𝑋𝑒𝑇𝑒𝐺 an 𝑒𝐺 das linksinvariant-verschobende Vektorfeld zu, d. h.

𝑇𝑒𝐺𝑋𝑒(𝑎𝑑𝐿𝑎𝑋𝑒)𝔤.

Es ist daher nützlich, 𝔤 mit dem Tangentialraum 𝑇𝑒𝐺 an der Identität 𝑒𝐺 zu identifizieren. Die Menge 𝑇𝑒𝐺 besitzt jedoch keine natürliche Algebrastruktur, weshalb der kanonische zugrunde liegende Vektorraum der Lie-Algebra die linksinvarianten Vektorfelder sind.

Wir benötigen außerdem die adjungierte Darstellung einer Lie-Gruppe auf ihrer Lie-Algebra. Diese werden wir zum Beispiel zur Charakterisierung des Transformationsverhaltens sogenannter Zusammenhangsformen unter Eichtransformationen im späteren Verlauf dieses Kapitels verwenden, um den Seiberg-Witten-Modulraum in Kapitel 4 besser verstehen zu können.

Definition 2.1.10 Sei 𝐺 eine Lie-Gruppe und 𝔤 ihre Lie-Algebra. Für 𝑎𝐺 bezeichnen wir mit Ψ𝑎:𝐺𝑔𝑎𝑔𝑎1𝐺 die Konjugation mit a und mit

Ad𝑎𝑑(Ψ𝑎)𝑒GL(𝔤)

die adjungierte Darstellung von 𝐺.

Da wir uns in Kapitel 4 mit einer abelschen Eichtheorie beschäftigen, sind die Vereinfachungen relevant, die in diesem Fall auftreten.

Bemerkung 2.1.11 Wenn 𝐺 abelsch ist, dann ist die Lie-Klammer [,] auf 𝔤 trivial und für alle 𝑎𝐺 gilt Ψ𝑎=id𝐺 und damit auch Ad𝑎=id𝔤.

Jeder Lie-Gruppe kann außerdem eine sogenannte Lie-Gruppen Exponentialabbildung zugeordnet werden. Um diese Abbildung definieren zu können, benötigen wir das folgende Lemma.

Lemma 2.1.12 Sei 𝐺 eine Lie-Gruppe und 𝔤 ihre Lie-Algebra. Die maximale Integralkurve zu 𝑋𝔤 durch 𝑒𝐺 ist auf ganz definiert.

Beweis: Siehe [Bau14].

Definition 2.1.13 Die Lie-Gruppen Exponentialabbildung von 𝐺 ist definiert als Auswertung zum Zeitpunkt 𝑡=1 der maximalen Integralkurve 𝜙𝑋 vom linksinvarianten Vektorfeld 𝑋𝔤 durch 𝑒𝐺, d. h.

exp:𝔤𝑋𝜙𝑋(1)𝐺.

Sofern der Kontext klar ist, nennen wir diese Abbildung auch nur Exponentialabbildung.

Die Lie-Gruppen Exponentialabbildung unterscheidet sich von der zu einer Metrik gehörenden geodätischen Exponentialabbildung. Für manche, zum Beispiel alle kompakten, Lie-Gruppen existieren jedoch sogenannte biinvariante Metriken mit der Eigenschaft, dass die Lie-Gruppen Exponentialabbildung mit der zu dieser Metrik gehörenden geodätischen Exponentialabbildung übereinstimmt (siehe [Lee18]).

Wir können nun ein weiteres Standardresultat über Lie-Gruppen-Homomorphismen formulieren, welches wir zum Beispiel in Lemma 3.3.11 nutzen werden, um zu zeigen, dass eine dort definierte Darstellung ein lokaler Diffeomorphismus ist.

Lemma 2.1.14 Wenn 𝐺,𝐻 Lie-Gruppen sind, 𝜙:𝐺𝐻 ein Lie-Gruppen-Homomorphismus und 𝔤 die Lie-Algebra von 𝐺 ist, dann gilt für alle 𝑋𝔤

𝜙(exp(𝑡𝑋))=exp(𝑡(𝑑𝜙)𝑒(𝑋)).

Im Fall einer Matrix-Lie-Gruppe, also einer Lie-Gruppe, die eine Untergruppe von GL(𝑛,) ist, vereinfachen sich die zuvor eingeführten Strukturen wie folgt.

Bemerkung 2.1.15 Sei 𝐺GL(𝑛,) eine Lie-Gruppe. Die Lie-Algebra 𝔤 von 𝐺 kann als Untervektorraum von Mat(𝑛,) aufgefasst werden, und die Algebrastruktur von 𝔤 ist genau durch den Kommutator zwischen Matrizen gegeben, d. h.

𝐴,𝐵𝔤:[𝐴,𝐵]=𝐴𝐵𝐵𝐴𝔤.

Außerdem stimmt die Exponentialabbildung in diesem Fall mit dem üblichen Matrixexponential überein:

exp:𝔤𝐴𝑘=0𝐴𝑘𝑘!𝐺.

Für einen Beweis siehe [Bau14].

Im Sinne der vorherigen Bemerkung wird die Algebrastruktur der Lie-Algebra einer Lie-Gruppe in der Physik häufig auch als Kommutationsrelationen bezeichnet. Auch wird eine Basis der Lie-Algebra oft informell als eine Menge von Generatoren der Lie-Gruppe bezeichnet und die Bilder der Generatoren (und Linearkombinationen dieser) unter der Lie-Gruppen Exponentialabbildung als von den Generatoren erzeugt. Ein besonderes Beispiel für die Physik ist dabei die sogenannte Lorentzgruppe, d. h. die spezielle Invarianzgruppe der Standard-Bilinearform 𝜂1,3 mit Signatur (1,3) auf 4. Das nächste Beispiel beschäftigt sich mit dieser Lie-Gruppe.

Beispiel 2.1.16 Sei SO(1,3)GL(𝑛,) die Lorentz-Gruppe und 𝔰𝔬(1,3) ihre Lie-Algebra. Vermöge der Identifikation von 𝔰𝔬(1,3) mit einem Untervektorraum von Mat(4,) ist eine Menge von Generatoren gegeben durch

𝐽1(
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
−1
0
0
1
0
),𝐽2(
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
−1
0
0
)
,𝐽3
(
0
0
0
0
0
0
−1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
)
,
𝐾1(
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
)
,𝐾2
(
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
)
,𝐾3
(
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
)
.

Die Generatoren erfüllen außerdem für 𝑖,𝑗,𝑘{1,2,3} die Kommutationsrelationen

[𝐽𝑖,𝐽𝑗]=𝑘=13𝜀𝑖𝑗𝑘𝐽𝑘,[𝐽𝑖,𝐾𝑗]=𝑘=13𝜀𝑖𝑗𝑘𝐾𝑘,[𝐾𝑖,𝐾𝑗]=𝑘=13𝜀𝑖𝑗𝑘𝐽𝑘.

Dabei ist 𝜀𝑖𝑗𝑘 die eindeutige antisymmetrische Abbildung mit 𝜀1231 bzw. 𝜀132=1. Unter der Exponentialabbildung erzeugen die Generatoren 𝐽1,𝐽2,𝐽3 räumliche Drehungen und die Generatoren 𝐾1,𝐾2,𝐾3 sogenannte boosts in die unterschiedlichen Raumrichtungen.

Abschließend führen wir die zu einer Lie-Gruppe gehörende Maurer-Cartan-Form ein. Mit dieser werden wir in Kapitel 4 das Transformationsverhalten von Zusammenhangsformen unter Eichtransformationen beschreiben.

Definition 2.1.17 Sei 𝐺 eine Lie-Gruppe und 𝔤 ihre Lie-Algebra. Die Maurer-Cartan-Form von 𝐺 ist die Abbildung

𝜇𝐺:𝑇𝐺𝑇𝑒𝐺𝔤,𝜇𝐺(𝑌) 𝑑𝐿𝑎1𝑌für𝑌𝑇𝑎𝐺,𝑎𝐺,

welche einem Tangentialvektor an 𝐺 dessen linksinvariante Fortsetzung zuordnet.

2.2. Hauptfaserbündel

Sei im Folgenden immer 𝐺 eine Lie-Gruppe und 𝑀 eine Mannigfaltigkeit. Faserbündel notieren wir als 4-Tupel (𝐸,𝜋,𝐵;𝐹), wobei 𝜋:𝐸𝐵 die Projektion und 𝐹 der Fasertyp ist. Wenn die Projektion klar ist, kürzen wir (𝐸,𝜋,𝐵;𝐹) mit 𝐵 ab.

Wir möchten nun den Begriff eines Hauptfaserbündels einführen. Dies ist die Gesamtmenge aller Referenzpunkte, die eine beobachtende Person einnehmen kann.

Definition 2.2.1 Eine glatte Rechts- bzw. Linkswirkung 𝜙:𝐺×𝑃𝑃 von 𝐺 auf einer Mannigfaltigkeit 𝑃 heißt einfach transitiv, wenn für alle 𝑝1,𝑝2𝑃 genau ein 𝑔𝐺 mit 𝜙(𝑔,𝑝1)=𝑝2 existiert.

Definition 2.2.2 Ein 𝐺-Hauptfaserbündel (𝐺-HFB) ist ein Faserbündel (𝑃,𝜋,𝑀;𝐺), dessen Fasertyp eine Lie-Gruppe ist, sodass eine glatte Rechtswirkung von 𝐺 auf 𝑃 gegeben ist, die fasertreu und einfach transitiv in jeder Faser operiert.

Abbildung 2: Rechts-
wirkung von 𝐺 auf 𝑃.

𝐺 wird auch Strukturgruppe des 𝐺-HFB oder im physikalischen Kontext auch Symmetriegruppe genannt. Für 𝑝𝑃 und 𝑔𝐺 notieren wir die Rechtswirkung mit 𝑝𝑔𝑃 oder auch nur mit 𝑝𝑔𝑃. Wie im Abschnitt zu Lie-Gruppen lassen sich auch für 𝐺-HFB einige wichtige Beispiele anführen. Zuerst benötigen wir jedoch das folgende Lemma zur Konstruktion von Hauptfaserbündeln.

Lemma 2.2.3 Sei 𝑃 eine Menge, 𝜋:𝑃𝑀 eine Abbildung, {𝑈𝑖|𝑖𝐼} eine offene Überdeckung von 𝑀 zusammen mit Abbildungen 𝜑𝑖:𝜋1(𝑈𝑖)𝑈𝑖×𝐺, die pr1𝜑𝑖=𝜋|𝜋1(𝑈𝑖) erfüllen. Alle Abbildungen

𝜑𝑖𝜑𝑗1:(𝑈𝑖𝑈𝑗)×𝐺(𝑈𝑖𝑈𝑗)×𝐺

seien von der Form 𝜑𝑖𝜑𝑗1(𝑥,𝑔)=(𝑥,𝑔𝑖𝑗𝑔) mit glatten 𝑔𝑖𝑗:𝑈𝑖𝑈𝑗𝐺. Dann existiert genau eine Struktur als glatte Mannigfaltigkeit auf 𝑃, sodass (𝑃,𝜋,𝑀;𝐺) ein Faserbündel mit Bündelkarten 𝜑𝑖 wird. Durch die Rechtswirkung von 𝐺 auf die zweite Komponente in 𝑈𝑖×𝐺 kann die Rechtswirkung

𝑝𝑔𝜑𝑖1(𝜑𝑖(𝑝)𝑔)für𝑝𝜋1(𝑈𝑖),𝑔𝐺

von 𝐺 auf 𝑃 definiert werden, mit welcher (𝑃,𝜋,𝑀;𝐺) ein 𝐺-HFB wird.

Beweis: Siehe Satz 3.4 und Satz 4.5 in [Sch24].

In der Auswahl der nun folgenden Beispiele beschränken wir uns auf die für die Definition einer Spin-Struktur in Kapitel 3 benötigten Beispiele .

Beispiel 2.2.4

  1. Das Basenbündel GL(𝑀) von 𝑇𝑀 ist das GL(𝑛,)-HFB, dessen Faser über 𝑥𝑀

    GL(𝑀)𝑥{𝑏𝑥|𝑏𝑥ist Basis von𝑇𝑥𝑀}

    aus der Menge der Basen von 𝑇𝑥𝑀 besteht. Wir definieren die Menge

    GL(𝑀)̇𝑥𝑀GL(𝑀)𝑥

    und die Abbildung 𝜋:GL(𝑀)𝑏𝑥𝑥𝑀. Ein Atlas {(𝑈𝑖,𝑥𝑖)} von 𝑀 induziert Abbildungen 𝜑𝑖:𝜋1(𝑈𝑖)𝑈𝑖×GL(𝑛,), sodass die Abbildungen 𝜑𝑖𝜑𝑗1 durch 𝑑(𝑥𝑖𝑥𝑗):𝑛𝑛 gegeben sind und somit glatt sind. Gemäß Lemma 2.2.3 ist (GL(𝑀),𝜋,𝑀;GL(𝑛,)) ein GL(𝑛,)-HFB mit der Rechtswirkung gegeben durch

    𝑏𝐴(𝑗=1𝑛𝑏𝑗𝐴𝑗1, ,𝑗=1𝑛𝑏𝑗𝐴𝑗𝑛)GL(𝑀)für alle𝐴GL(𝑛,),𝑏GL(𝑀).
  2. Wenn (𝐸,𝜋,𝑀,𝑉) ein -Vektorbündel von Rang 𝑛 über 𝑀 ist, können wir das GL(𝑛,)-HFB definieren, dessen Faser GL(𝐸)𝑥 über 𝑥𝑀 aus den Basen von 𝐸𝑥 besteht. Ein Bündelatlas von 𝐸 induziert Abbildungen 𝜑𝑖:𝜋1(𝑈𝑖)𝑈𝑖×GL(𝑛,), sodass die Abbildungen 𝜑𝑖𝜑𝑗1 durch glatte 𝑔𝑖,𝑗:𝑈𝑖𝑈𝑗GL(𝑛,) gegeben sind. Gemäß Lemma 2.2.3 ist GL(𝑀)𝑥𝑀GL(𝑀)𝑥 mit der Rechtswirkung

    𝑏𝐴(𝑗=1𝑛𝑏𝑗𝐴𝑗1, ,𝑗=1𝑛𝑏𝑗𝐴𝑗𝑛)GL(𝐸)für alle𝐴GL(𝑛,),𝑏GL(𝐸)

    ein GL(𝑛,)-HFB, das Basenbündel GL(𝐸) von 𝐸.

  3. Wenn eine Metrik 𝑔 der Signatur (𝑟,𝑠) auf 𝑀 gegeben ist, kann das Orthonormalbasenbündel

    𝑂(𝑀,𝑔){𝑏GL(𝑀)|𝑏ist𝑔-Orthonormalbasis}GL(𝑀)

    definiert werden. Eine 𝑔-Orthonormalbasis über 𝑥𝑀 ist dabei eine Basis 𝑏GL(𝑀)𝑥, sodass 𝑔(𝑏𝑖,𝑏𝑖){±1} gilt und die Metrik auf dem Spann der ersten 𝑟-Basisvektoren negativ definit ist. Die Strukturgruppe dieses Bündels ist die orthonormale Gruppe 𝑂(𝑟,𝑠).

  4. Wenn eine Metrik 𝑔 der Signatur (𝑟,𝑠) auf 𝑀 gegeben, 𝑀 orientierbar und eine Orientierung vorgegeben ist, kann das spezielle Orthonormalbasenbündel

    SO(𝑀,𝑔){𝑏𝑂(𝑀,𝑔)|𝑏ist positiv orientiert}𝑂(𝑀,𝑔)

    definiert werden. Die Strukturgruppe dieses Bündels ist die spezielle orthonormale Gruppe SO(𝑟,𝑠).

Wenn in der Situation des vierten Beispiels die Metrik 𝑔 auf 𝑀 die Signatur (1,3) trägt, entspricht die physikalische Interpretation der SO(1,3)-Wirkung auf den Fasern der Transformation zwischen Bezugssystemen mittels Lorentztransformationen.

Wir benötigen außerdem den Begriff einer Eichtransformation eines 𝐺-HFB, welcher ein Spezialfall eines Isomorphismus zwischen 𝐺-HFB ist. Für die Definition des Seiberg-Witten-Modulraums in Kapitel 4 ist der Begriff einer Eichtransformation wesentlich, da der Lösungsraum der Seiberg-Witten-Gleichungen invariant unter Eichtransformationen ist. Eine solche Eichinvarianz des Lösungsraums ist in physikalischen Theorien ein häufig vorkommendes Prinzip.

Definition 2.2.5 Seien (𝑃,𝜋𝑃,𝑀;𝐺) und (𝑄,𝜋𝑄,𝑀;𝐺) zwei 𝐺-HFB. Eine Abbildung 𝑓:𝑃𝑄 heißt HFB-Isomorphismus, wenn 𝑓 ein fasertreuer Diffeomorphismus ist, der zusätzlich 𝐺-äquivariant ist, d. h.

𝑓(𝑝𝑔)=𝑓(𝑝)𝑔𝑝𝑃,𝑔𝐺.

Definition 2.2.6 Eine Eichtransformation von 𝑃 ist ein HFB-Isomorphismus 𝑓:𝑃𝑃. Mit anderen Worten: eine Eichtransformation ist ein fasertreuer Diffeomorphismus 𝑓:𝑃𝑃, welcher 𝐺-äquivariant ist, d. h.

𝑓(𝑝𝑔)=𝑓(𝑝)𝑔𝑝𝑃,𝑔𝐺.

Wir bezeichnen mit 𝒢︀(𝑃) die Gruppe der Eichtransformationen von 𝑃. Da die Rechtswirkung von 𝐺 auf 𝑃 einfach-transitiv in jeder Faser ist, können wir außerdem jeder Eichtransformation 𝑓𝒢︀(𝑃) bijektiv ein Element 𝜎𝑓 in der Menge

{𝜎:𝑃𝐺glatt|𝑔𝐺:𝜎(𝑝𝑔)=𝑔1𝜎(𝑝)𝑔}

durch die Bedingung 𝑓(𝑝)=𝑝𝜎𝑓(𝑝) für alle 𝑝𝑃 zuordnen.

Abschließend führen wir den Begriff einer Reduktion der Strukturgruppe eines Hauptfaserbündels ein, welcher zur Definition des Begriffs einer Spin-Struktur in Kapitel 3 benötigt wird.

Definition 2.2.7 Sei (𝑃,𝜋,𝑀;𝐺) ein 𝐺-HFB über 𝑀, 𝐻 eine weitere Lie-Gruppe sowie 𝜆:𝐻𝐺 ein Lie-Gruppen-Homomorphismus. Eine 𝜆-Reduktion von 𝑃 ist ein Tupel (𝑄,𝐹), sodass

  1. 𝑄 ein 𝐻-Hauptfaserbündel über 𝑀 ist und

  2. 𝐹:𝑄𝑃 eine fasertreue, 𝜆-äquivariante Abbildung ist, d. h. es gilt

    𝐹(𝑞)=𝐹(𝑞)𝜆()𝑞𝑄,𝐻.

Wir sagen auch, dass die Strukturgruppe des 𝐺-Hauptfaserbündels entlang 𝜆 von 𝐺 auf 𝐻 reduziert wird. Wenn der Kontext klar ist, bezeichnen wir eine 𝜆-Reduktion auch als 𝐻-Struktur auf 𝑃.

Beispiel 2.2.8

  1. Wenn 𝑔 eine semi-Riemannsche Metrik der Signatur (𝑟,𝑠) auf 𝑀 ist und 𝑂(𝑀,𝑔) das Orthonormalbasenbündel zu (𝑀,𝑔) ist, dann definiert die Inklusion

    𝐹:𝑂(𝑀,𝑔)𝑏𝑏GL(𝑀)

    eine Reduktion der Strukturgruppe des Basenbündels GL(𝑀) von GL(𝑟+𝑠,) auf 𝑂(𝑟,𝑠).

  2. Wenn 𝑀 zusätzlich eine Orientierung trägt und SO(𝑀,𝑔) das spezielle Orthonormalbasenbündel zu (𝑀,𝑔) ist, dann definiert die Inklusion

    SO(𝑀,𝑔)𝑏𝑏GL(𝑀)

    eine Reduktion der Strukturgruppe des Basenbündels GL(𝑀) von GL(𝑟+𝑠,) auf SO(𝑟,𝑠).

Bemerkung 2.2.9 Ist andersherum (𝑄,𝐹) eine Reduktion der Strukturgruppe des Basenbündels GL(𝑀) von GL(𝑟+𝑠,) auf 𝑂(𝑟,𝑠), so definieren wir die Basen in GL(𝑀), die im Bild

𝐹(𝑄)={𝐹(𝑞)GL(𝑀)|𝑞𝑄}

von 𝐹 liegen, als Orthonormalbasen. Dies liefert eine wohldefinierte Bündelmetrik, da zwei verschiedene Orthonormalbasen 𝐹(𝑞1),𝐹(𝑞2) über eine orthonormale Transformation verbunden sind, was aus

𝑞1=𝑞2𝐴𝐹(𝑞1)=𝐹(𝑞2)𝐴mit𝐴𝑂(𝑟,𝑠),𝑞1,𝑞2𝑄

folgt. In diesem Sinne ist die Wahl einer semi-Riemannschen Metrik auf 𝑀 äquivalent zur Wahl einer Reduktion der Strukturgruppe des Basenbündels GL(𝑀) von GL(𝑟+𝑠,) auf 𝑂(𝑟,𝑠).

Ein weiteres Beispiel ist der Begriff der Spin- bzw. Spin-Struktur einer semi-Riemannschen Mannigfaltigkeit, den wir in Kapitel 3 einführen möchten.

In den nächsten Abschnitten werden wir dem Begriff eines Hauptfaserbündels weitere Strukturen hinzufügen. Insbesondere interessieren wir uns dafür, wie diese Strukturen unter Eichtransformationen transformieren.

2.3. Assoziierte Faser-, Vektor- und Hauptfaserbündel

Sei weiterhin 𝑀 eine Mannigfaltigkeit und 𝐺 eine Lie-Gruppe. Sei außerdem (𝑃,𝜋,𝑀;𝐺) ein 𝐺-HFB über 𝑀.

Nachdem wir nun die Begriffe der Lie-Gruppen und Hauptfaserbündel eingeführt haben, können wir zu einem Hauptfaserbündel gewisse Faserbündel definieren, deren Punkte explizit unabhängig von der Wahl eines Referenzpunktes im Hauptfaserbündel sind. Dies sind die assoziierten Faserbündel.

Definition 2.3.1 Sei 𝑁 eine Mannigfaltigkeit und 𝜌 eine Linkswirkung von 𝐺 auf 𝑁. Definiere auf dem Produkt 𝑃×𝑁 die Äquivalenzrelation

(𝑝,𝑛)(𝑝𝑔,𝜌(𝑔1,𝑛))für𝑝𝑃,𝑛𝑁,𝑔𝐺.

Den Quotienten bezüglich dieser Relation notieren wir als

𝑃×𝜌𝑁(𝑃×𝑁)/.

Setze 𝜋̂:𝑃×𝜌𝑁[(𝑝,𝑦)]𝜋(𝑝)𝑀, wobei 𝜋:𝑃𝑀 die Projektion in 𝑃 ist. Dann existiert genau eine Struktur auf 𝑃×𝜌𝑁, sodass (𝑃×𝜌𝑁,𝜋̂,𝑀;𝑁) ein Faserbündel mit Fasertyp 𝑁 wird. Dies bezeichnen wir als das zu 𝑃 und der Wirkung von 𝐺 auf 𝑁 assoziierte Faserbündel.

Beweis: Siehe Satz 2.7 in [Bau14].

Bevor wir ein erstes Beispiel angeben können, betrachten wir den Fall, dass der Fasertyp eines assoziierten Faserbündels ein Vektorraum oder eine Lie-Gruppe ist. In diesen Fällen zeichnet sich das assoziierte Faserbündel dadurch aus, dass es die zusätzliche Struktur als Vektorbündel bzw. als Hauptfaserbündel trägt. Aus diesem Grund ist beispielsweise das Spinorbündel in Kapitel 3 ein Vektorbündel.

Definition 2.3.2

  1. Wenn 𝑉 ein reeller oder komplexer Vektorraum ist und 𝜌𝑉 eine Darstellung von 𝐺 auf 𝑉 ist, dann definiert

    𝜌(𝑔,𝑣)𝜌𝑉(𝑔)𝑣

    eine Linkswirkung von 𝐺 auf 𝑉. Auf dem assoziierten Faserbündel 𝑃×𝜌𝑉 definieren wir für alle 𝑥𝑀 und 𝑝𝑃𝑥 eine Vektorraumstruktur auf der Faser über 𝑥, sodass die Abbildung

    (𝑃×𝜌𝑉)𝑥[(𝑝,𝑣)]𝑣𝑉

    ein Vektorraumisomorphismus wird. Die so definierte Vektorraumstruktur auf (𝑃×𝜌𝑉)𝑥 ist unabhängig von der Wahl des Punktes 𝑝, da 𝜌(𝑔) für 𝑔𝐺 eine lineare Abbildung ist. Das so definierte Vektorbündel nennen wir das zu 𝑃 und der Darstellung von 𝐺 auf 𝑉 assoziierte Vektorbündel und wir schreiben

    𝑃×𝜌𝑉𝑉𝑃×𝜌𝑉.
  2. Wenn 𝐻 eine Lie-Gruppe und 𝜆:𝐺𝐻 ein Lie-Gruppen-Homomorphismus ist, dann definiert

    𝜌𝜆(𝑔,)𝜆(𝑔)𝑔𝐺,𝐻

    eine Linkswirkung von 𝐺 auf 𝐻. Auf dem assoziierten Faserbündel 𝑃×𝜌𝜆𝐻 definieren wir die Rechtswirkung

    (𝑃×𝜌𝜆𝐻)×𝐻([(𝑝,)],)[(𝑝,)]𝑃×𝜌𝜆𝐻.

    Diese Wirkung ist fasertreu und einfach transitiv in jeder Faser und somit bildet 𝑃×𝜌𝜆𝐻 ein 𝐻-HFB. Dies nennen wir das zu 𝑃 und 𝜆 assoziierte Hauptfaserbündel und schreiben

    𝑃×𝜆𝐻𝑃×𝜌𝜆𝐻.

Wir wollen als Beispiel für den Begriff eines assoziierten Vektorbündels das Tangentialbündel einer Mannigfaltigkeit betrachten. Hierfür führen wir den Begriff eines Vektorbündelisomorphismus als Spezialfall eines Vektorbündelhomomorphismus ein. Wir werden diesen Begriff außerdem bei der Definition der Clifford-Multiplikation in Kapitel 3 benötigen.

Definition 2.3.3 Seien (𝑋,𝜋𝑋,𝑀;𝑉),(𝑌,𝜋𝑌,𝑀;𝑊) zwei Vektorbündel über 𝑀. Eine glatte Abbildung 𝑓:𝑋𝑌 heißt Vektorbündelhomomorphismus, wenn 𝑓 fasertreu und eingeschränkt auf jede Faser linear ist. Wenn 𝑓 zusätzlich bijektiv ist, heißt 𝑓 Vektorbündelisomorphismus.

Beispiel 2.3.4 Sei GL(𝑀) das Basenbündel von 𝑇𝑀 und 𝜌std die Standard-Darstellung von GL(𝑛,) auf 𝑛. Dann sind die Vektorbündel

GL(𝑀)×𝜌std𝑛und𝑇𝑀

isomorph. Um dies einzusehen, definieren wir einen Vektorbündelisomorphismus durch

𝑓:GL(𝑀)×𝜌std𝑛𝑇𝑀,𝑓([(𝑏1,,𝑏𝑛,𝑣1,,𝑣𝑛)])=𝑖=1𝑛𝑣𝑖𝑏𝑖=𝑏𝑣.

Ist 𝐴GL(𝑛,), so gilt (𝑏,𝑣)(𝑏𝐴,𝐴1𝑣) und 𝑏𝐴𝐴1𝑣=𝑏𝑣 und somit ist 𝑓 wohldefiniert. Die Abbildung 𝑓 ist außerdem surjektiv und hat eingeschränkt auf jede Faser einen trivialen Kern, da (𝑏1,,𝑏𝑛) eine Basis ist. Somit ist 𝑓 ein Vektorbündelisomorphismus.

Um in Kapitel 3 die Clifford-Multiplikation definieren zu können, benötigen wir das folgende Lemma.

Lemma 2.3.5 Sei 𝜌 eine Darstellung von 𝐺 auf einem Vektorraum 𝑉, 𝐻 eine weitere Lie-Gruppe, 𝜆:𝐻𝐺 ein Lie-Gruppen-Homomorphismus und (𝑄,𝐹) eine 𝜆-Reduktion von 𝑃. Dann definiert 𝜌𝜆 eine Darstellung von 𝐻 auf 𝑉 und die zugehörigen assoziierten Vektorbündel sind isomorph, d. h.

𝑃×𝜌𝑉𝑄×𝜌𝜆𝑉.

Beweis: Ein Faserbündelisomorphismus ist gegeben durch

𝜙:𝑄×𝜌𝜆𝑉[(𝑞,𝑣)][(𝐹(𝑞),𝑣)]𝑃×𝜌𝑉.

Die Abbildung 𝜙 ist wohldefiniert, da 𝐹 𝜆-äquivariant ist und somit

𝜙([(𝑞,𝜌(𝜆()1)𝑣)])=[(𝐹(𝑞)𝜆(),𝜌(𝜆()1)𝑣)]=[(𝐹(𝑞),𝑣)]𝐻,𝑞𝑄,𝑣𝑉

gilt. Die Abbildung ist außerdem nach Definition linear auf jeder Faser. Sie ist zusätzlich fasertreu (da 𝐹 fasertreu ist) und glatt (da 𝐹 glatt ist). Um zu zeigen, dass die Abbildung surjektiv ist, wählen wir ein beliebiges Element [(𝑝,𝑣)]𝑃×𝜌𝑉 und ein beliebiges Element 𝑞𝑄. Dann gibt es ein 𝑔𝐺 mit 𝐹(𝑞)=𝑝𝑔 und somit gilt

𝜙([(𝑞,𝜌(𝑔1)𝑣)])=[(𝐹(𝑞),𝜌(𝑔1)𝑣)]=[(𝐹(𝑞)𝑔1,𝑣)]=[(𝑝,𝑣)].

Nun bleibt zu zeigen, dass die Abbildung injektiv ist. Seien 𝑞1,𝑞2𝑄, 𝑣1,𝑣2𝑉 mit 𝜙([(𝑞1,𝑣1)])=𝜙([(𝑞2,𝑣2)]). Es existiert ein 𝐻 mit 𝑞1=𝑞2. Dann gilt mit dem Ergebnis aus Gl. (2.1):

[(𝐹(𝑞1),𝑣1)]=[(𝐹(𝑞1)𝜆(),𝜌(𝜆()1)𝑣1)]=[(𝐹(𝑞2),𝜌(𝜆()1)𝑣1)]=[(𝐹(𝑞2),𝑣2)].

Demnach gilt 𝑣2=𝜌(𝜆()1)𝑣1 und somit auch

[(𝑞1,𝑣1)]=[(𝑞1,𝜌(𝜆()1)𝑣1)]=[(𝑞2,𝑣2)].

Insgesamt ist 𝜙 linear auf jeder Faser, bijektiv und somit tatsächlich ein Vektorbündelisomorphismus.

2.4. Zusammenhänge und Krümmung in Hauptfaserbündeln

Sei weiterhin 𝑀 eine Mannigfaltigkeit, 𝐺 eine Lie-Gruppe, 𝔤 ihre Lie-Algebra und 𝑃 ein 𝐺-Hauptfaserbündel über 𝑀.

Für die Diskussion in Kapitel 4 benötigen wir den Begriff eines Zusammenhangs auf einem Hauptfaserbündel. Später betrachten wir die durch einen solchen Zusammenhang induzierten Zusammenhänge auf assoziierten Vektorbündeln. Diese werden insbesondere zur Definition des Dirac-Operators in Kapitel 3 benötigt, der in den Seiberg-Witten-Gleichungen eine zentrale Rolle spielt.

Definition 2.4.1

  1. An jedem Punkt 𝑝𝑃 definieren wir den vertikalen Tangentialraum 𝑇𝑝𝑣𝑃 als den Teilraum des Tangentialraums an 𝑝𝑃, der tangential an die Faser 𝑃𝜋(𝑝) ist, d. h.

    𝑇𝑝𝑣𝑃ker(𝑑𝜋𝑝)={𝑋𝑇𝑝𝑃|d𝜋(𝑋)=0}𝑇𝑝(𝑃𝜋(𝑝)).

    Solche 𝑋𝑇𝑝𝑣𝑃 nennen wir vertikal.

  2. Die Rechtswirkung von 𝐺 auf 𝑃 induziert für alle 𝑝𝑃 einen Isomorphismus 𝔤𝑇𝑝𝑣𝑃 mit

    𝔤𝑋𝑋̃𝑝dd𝑡|𝑡=0(𝑝exp(𝑡𝑋))𝑇𝑝𝑣𝑃.

    Wir nennen 𝑋̃:𝑝𝑋̃𝑝 das vertikale Vektorfeld zu 𝑋𝔤.

  3. Die Wahl eines weiteren Unterraums 𝑇𝑝𝑃, der den vertikalen Tangentialraum 𝑇𝑝𝑣𝑃 zu 𝑇𝑝𝑃 ergänzt, d. h.

    𝑇𝑝𝑃=𝑇𝑝𝑣𝑃𝑇𝑝𝑃,

    nennen wir einen horizontalen Tangentialraum an 𝑝𝑃.

  4. Ein Zusammenhang auf 𝑃 ist eine glatt-variierende Wahl ℋ︀ von solchen horizontalen Tangentialräumen auf ganz 𝑃, die 𝐺-invariant ist, d. h.

    (𝑅𝑔)ℋ︀𝑝=ℋ︀𝑝𝑔.

    Glatt-variierend bedeutet dabei, lokal durch eine Familie von (glatten) Vektorfeldern aufgespannt zu sein. Untervektorbündel vom Tangentialbündel bezeichnen wir als Distributionen und bezeichnen einen Zusammenhang demnach auch als horizontale Distribution.

Es ist nützlich eine solche Wahl von horizontalen Tangentialräumen mit einer gewissen Lie-Algebra-wertigen 1-Form zu identifizieren. Aus dieser 1-Form kann anschließend die Krümmungsform abgeleitet werden, welche in den Seiberg-Witten-Gleichungen auftreten wird.

Definition 2.4.2 Eine Zusammenhangs 1-Form oder auch nur Zusammenhangsform auf dem Hauptfaserbündel (𝑃,𝜋,𝑀;𝐺) ist eine 1-Form

𝐴Ω1(𝑃,𝔤)=Γ(𝑇𝑀(𝑀×𝔤)),

mit Werten in der Lie-Algebra 𝔤 von 𝐺, sodass gilt

  1. (𝑅𝑔)𝐴=Ad𝑔1𝐴 für alle 𝑔𝐺, und

  2. 𝐴(𝑋̃)=𝑋 für alle vertikalen Vektorfelder 𝑋̃, definiert wie in Definition 2.4.1.

Die Menge der Zusammenhangsformen auf 𝑃 bezeichnen wir mit 𝒜︀(𝑃).

Bemerkung 2.4.3 Die Angabe eines Zusammenhangs auf 𝑃 ist äquivalent zur Angabe einer Zusammenhangsform im folgenden Sinne.

  1. Wenn 𝐴 eine Zusammenhangsform auf 𝑃 ist, definieren wir einen Zusammenhang auf 𝑃 durch

    ℋ︀ker(𝐴).
  2. Wenn ℋ︀ ein Zusammenhang auf 𝑃 ist, definieren wir eine Zusammenhangsform durch

    𝐴|𝑇𝑝𝑃pr𝑇𝑝𝑣𝑃:𝑇𝑝𝑃𝑇𝑝𝑣𝑃𝔤.

    Dabei ist 𝑇𝑝𝑣𝑃𝔤 der Isomorphismus aus Definition 2.4.1.

Wir wollen nun folgern, dass auf jedem 𝐺-HFB eine Zusammenhangsform existiert. Insbesondere ist dies in Kapitel 4 relevant, da wir dort eine „Basis-Zusammenhangsform“ voraussetzen werden. Zuerst benötigen wir den trivialen Zusammenhang im trivialen 𝐺-HFB.

Beispiel 2.4.4 Wenn 𝑃 das triviale 𝐺-HFB über 𝑀 ist, d. h. (𝑃=𝑀×𝐺,pr1,𝑀;𝐺), dann ist der triviale Zusammenhang auf 𝑃 und die triviale Zusammenhangsform auf 𝑃 gegeben durch

ℋ︀=𝑇𝑀{0}𝑇𝑃und𝐴=pr2𝜇𝐺.

Dabei ist 𝜇𝐺 die Maurer-Cartan-Form aus Definition 2.1.17. Dies definiert einen wohldefinierten Zusammenhang. Für den Beweis siehe [Sch24].

Mit dieser Definition können wir nun die folgende Proposition zur Existenz einer Zusammenhangsform auf 𝑃 festhalten.

Proposition 2.4.5 Auf 𝑃 existiert mindestens eine Zusammenhangsform, d. h. 𝒜︀(𝑃).

Beweis: Sei {(𝑈𝑖,𝜓𝑖)|𝑖𝐼} ein lokal endlicher Bündelatlas von 𝑃. Über jedem 𝑈𝑖 kann bezüglich 𝜓𝑖 der triviale Zusammenhang aus Beispiel 2.4.4 gewählt werden. Bezeichne diesen mit 𝐴𝑖 und wähle eine Teilung der Eins (𝑓𝑖)𝑖𝐼 bezüglich {𝑈𝑖}. Definiere dann 𝐴𝑖𝐼𝑓𝑖𝐴𝑖. Es folgt, dass 𝐴 eine Zusammenhangsform auf 𝑃 ist.

Wir werden nun den Begriff der Krümmung eines Zusammenhangs auf einem Hauptfaserbündel einführen, welcher einerseits bei der Definition der Seiberg-Witten-Gleichungen benötigt wird und andererseits in der Physik als Feldstärke einer Eichtheorie interpretiert wird.

Definition 2.4.6 Sei 𝐴 eine Zusammenhangsform auf 𝑃 und prℋ︀:𝑇𝑃ℋ︀ die Projektion auf die gemäß Bemerkung 2.4.3 zu 𝐴 gehörige horizontale Distribution ℋ︀.

  1. Sei 𝑉 ein Vektorraum. Das absolute Differential ist

    𝐷𝐴:Ω𝑘(𝑃,𝑉)𝜔𝑑𝜔(prℋ︀,,prℋ︀𝑘+1)Ω𝑘+1(𝑃,𝑉).
  2. Die Krümmungsform zu 𝐴 ist

    𝐹𝐴𝐷𝐴𝐴Ω2(𝑃,𝔤).

Satz 2.4.7 Sei 𝐴 eine Zusammenhangsform auf 𝑃 und [,]:𝔤×𝔤𝔤 die Lie-Klammer von 𝐺. Für die Krümmungsform 𝐹𝐴 zu 𝐴 gilt die sogenannte Strukturgleichung:

𝐹𝐴(𝑋,𝑌)=𝑑𝐴(𝑋,𝑌)+[𝐴(𝑋),𝐴(𝑌)]𝑝𝑃,𝑋,𝑌𝑇𝑝𝑃.

Beweis: Siehe Satz 3.15 in [Bau14].

Wieder können wir für den Fall einer abelschen Eichtheorie die resultierenden Vereinfachungen festhalten.

Korollar 2.4.8 Wenn 𝐺 abelsch ist, dann folgt aus Bemerkung 2.1.11 und der Strukturgleichung:

𝐹𝐴=𝑑𝐴.

2.5. Kontravariante Darstellungen und die lokale Krümmungsform

Sei wieder 𝑀 eine Mannigfaltigkeit, 𝐺 eine Lie-Gruppe, 𝔤 ihre Lie-Algebra, (𝑃,𝜋,𝑀,𝐺) ein 𝐺-HFB über 𝑀 und 𝐴 eine Zusammenhangsform auf 𝑃. Sei außerdem 𝑉 ein reeller oder komplexer Vektorraum und 𝜌:𝐺GL(𝑉) eine Darstellung von 𝐺 auf 𝑉.

Die Punkte in den assoziierten Faserbündeln aus Abschnitt 2.3 sind explizit unabhängig von der Wahl eines von einer beobachtenden Person eingenommenen Referenzpunktes. Wir möchten jedoch einer solchen koordinatenfreien Darstellung in diesem Kapitel wieder eine koordinatenabhängige Darstellung zuordnen.

Definition 2.5.1 Eine 𝑘-Form 𝜔Ω𝑘(𝑃,𝑉) heißt

  1. horizontal, falls 𝜔 auf vertikalen Vektoren verschwindet, d. h.

    𝜔𝑝(𝑋1,,𝑋𝑖,,𝑋𝑘)=0falls𝑋𝑖𝑇𝑝𝑣𝑃.
  2. vom Typ 𝜌 oder 𝜌-äquivariant, falls für alle 𝑔𝐺 gilt

    (𝑅𝑔)𝜔=𝜌(𝑔1)𝜔.

Wir bezeichnen die Menge der 𝜔Ω𝑘(𝑃,𝑉), welche beide Bedingungen erfüllen, mit

Ωhor𝑘(𝑃,𝑉)(𝐺,𝜌).

Elemente in Ωhor𝑘(𝑃,𝑉)(𝐺,𝜌) nennen wir lokale Darstellungen.

Beispiel 2.5.2 Die Zusammenhangsform 𝐴 auf 𝑃 ist nach Definition vom Typ Ad.

Satz 2.5.3 Sei 𝐸𝑃×𝜌𝑉 das zu 𝑃 und der Wirkung 𝜌 von 𝐺 auf 𝑉 assoziierte Vektorbündel und 𝜋:𝑃𝑀 die Projektion in 𝑃. Es existiert eine kanonische Zuordnung

𝜙:Ω𝑘(𝑀,𝐸)Ωhor𝑘(𝑃,𝑉)(𝐺,𝜌),

welche definiert ist durch die Eigenschaft, dass für alle 𝑥𝑀,𝑝𝑃𝑥,𝑌1,,𝑌𝑘𝑇𝑝𝑃 gilt:

[(𝑝,𝜙(𝜔)𝑝(𝑌1,,𝑌𝑘))]=𝜔𝑥(𝑑𝜋(𝑌1),,𝑑𝜋(𝑌𝑘)).

Beweis: Siehe Satz 10.1. in [Sch24] oder Satz 3.5 in [Bau14].

Proposition 2.5.4 Wenn 𝛼Ω𝑘(𝑃,𝑉) von Typ 𝜌 ist, dann gilt dies auch für 𝑑𝛼 und 𝐷𝐴𝛼.

Beweis: Siehe Proposition 9.4. in [Sch24].

Korollar 2.5.5 Die Krümmungsform zu 𝐴 ist nach Proposition 2.5.4 horizontal und vom Typ Ad, d. h. es gilt

𝐹𝐴Ωhor2(𝑃,𝔤)(𝐺,Ad).

Definition 2.5.6 Das adjungierte Bündel ist

Ad𝑃𝑃×Ad𝔤.

Definition 2.5.7 Sei 𝜙 der Isomorphismus aus Satz 2.5.3 (hier mit 𝐸=Ad𝑃). Dann definieren wir

Ω𝐴𝜙1(𝐹𝐴)Ω2(𝑀,Ad𝑃).

Dies nennen wir die lokale Krümmungsform zu 𝐹𝐴 (bzw. zu 𝐴).

Bemerkung 2.5.8 Die Differenz zweier Zusammenhänge auf 𝑃 ist nach Definition horizontal und vom Typ Ad. Ist andererseits 𝜔Ωhor1(𝑃,𝔤)(𝐺,Ad), so ist

𝐴̃𝐴+𝜔

eine Zusammenhangsform auf P. Die Menge der Zusammenhangsformen auf 𝑃 ist folglich ein affiner Unterraum von Ω1(𝑃,𝔤) (aufgefasst als -Vektorraum), aufgespannt durch den Vektorraum Ωhor1(𝑃,𝔤)(𝐺,Ad). In diesem Sinne lässt sich die Menge der Zusammenhänge 𝒜︀(𝑃) auf 𝑃 nach Wahl einer Basis-Zusammenhangsform mit Ω1(𝑀,Ad𝑃) identifizieren.

Satz 2.5.9 Für 𝜔Ωhor𝑘(𝑃,𝑉)(𝐺,𝜌) gilt

𝐷𝐴𝜔(𝑋1,,𝑋𝑘+1)=𝑑𝜔(𝑋1,,𝑋𝑘+1)+1𝑘!𝜎𝑆𝑘+1sgn(𝜎)𝜌(𝐴(𝑋𝜎(1)))(𝜔(𝑋𝜎(2),,𝑋𝜎(𝑘+1))).

Beweis: Siehe [Sch24].

2.6. Induzierte Zusammenhänge auf assoziierten Vektorbündeln

Sei wieder 𝑀 eine Mannigfaltigkeit, 𝐺 eine Lie-Gruppe, 𝔤 ihre Lie-Algebra, 𝑃 ein 𝐺-HFB über 𝑀, 𝐴 eine Zusammenhangsform auf 𝑃 und 𝜌 eine Darstellung von 𝐺 auf einem reellen oder komplexen Vektorraum 𝑉. Sei außerdem 𝐸𝑃×𝜌𝑉 das zu 𝑃 und 𝜌 assoziierte Vektorbündel.

Aus der Wahl eines Zusammenhangs auf einem Hauptfaserbündel leiten wir nun die daraus resultierende natürliche Wahl einer Ableitung auf jedem assoziierten Vektorbündel ab. Insbesondere benötigen wir diesen, um den Dirac-Operator in Kapitel 3 definieren zu können.

Definition 2.6.1 Sei eine Abbildung 𝑑𝐴:Ω𝑘(𝑀,𝐸)Ω𝑘+1(𝑀,𝐸) definiert durch das kommutative Diagramm

Definition 2.6.2 Der durch 𝐴 induzierte Zusammenhang auf 𝐸 ist

𝑋𝐴𝜑(𝑑𝐴𝜑)(𝑋)𝜑Γ(𝐸),𝑋Γ(𝑇𝑀).

Proposition 2.6.3 𝐴 ist ein Zusammenhang auf 𝐸.

Beweis: Siehe [Sch24].

Um in Kapitel 3 den Dirac-Operator auf das positive und negative Spinorbündel einschränken zu können, benötigen wir die folgende lokale Darstellung des induzierten Zusammenhangs auf 𝐸.

Lemma 2.6.4 Sei 𝑠:𝑈𝑃 ein lokaler Schnitt in 𝑃, 𝜑Γ(𝐸) und 𝑤:𝑈𝑉 definiert durch

𝜑|𝑈=[(𝑠,𝑤)].

Dann gilt für den durch 𝐴 induzierten Zusammenhang

(𝑋𝐴𝜑)|𝑈=[(𝑠,𝑋(𝑤)+𝜌(𝐴(𝑑𝑠(𝑋)))𝑤)]𝑋Γ(𝑇𝑀).

Beweis: Siehe [Sch24].

Lemma 2.6.5 Wenn 𝑓:𝑃𝑃 eine Eichtransformation ist, dann ist 𝑓𝐴 wieder eine Zusammenhangsform auf 𝑃. Dies nennen wir den transformierten Zusammenhang zu 𝑓 und 𝐴. Für diesen gilt

𝑓𝐴=Ad𝜎𝑓1𝐴+𝜎𝑓𝜇𝐺,𝐹𝑓𝐴=𝑓𝐹𝐴=Ad𝜎𝑓1𝐹𝐴.

Dabei ist Ad𝑔:𝔤𝔤 für 𝑔𝐺 die adjungierte Darstellung von 𝐺 wie in Definition 2.1.10 und 𝜇𝐺 die Maurer-Cartan-Form von 𝐺 wie in Definition 2.1.17.

Beweis: Siehe Satz 3.22 in [Bau14].

Für die Berechnung der Dimension des Modulraums der Lösungen der Seiberg-Witten-Gleichungen werden wir in Proposition 4.6.9 annehmen, dass die zugrunde liegende Mannigfaltigkeit einfach-zusammenhängend ist und somit für Eichtransformationen ein globaler Logarithmus existiert. Die in diesem Fall auftretenden Vereinfachungen beschreibt das folgende Lemma.

Lemma 2.6.6 Sei 𝐺=𝑆1, 𝑓:𝑃𝑃 eine Eichtransformation, 𝜎𝑓:𝑃𝑆1 definiert durch 𝑓(𝑝)=𝑝𝜎𝑓(𝑝) und exp:𝔤𝑖𝑆1 die Exponentialabbildung von 𝑆1 wie in Definition 2.1.13. Es existiere außerdem für 𝜎𝑓 ein globaler Logarithmus, d. h. eine glatte Abbildung 𝑢:𝑃𝑖 mit 𝜎𝑓=exp𝑢. Dann gilt für den transformierten Zusammenhang

𝑓𝐴=𝐴+𝑑𝑢.

Beweis: Seien 𝑝𝑃,𝑋𝑇𝑝𝑃,𝑣𝑑𝑢𝑝(𝑋) und 𝑎𝑢(𝑝)𝑖. Dann gilt mit Gl. (2.2) und der Definition der Maurer-Cartan-Form (siehe Definition 2.1.17) sowie Bemerkung 2.1.11

𝑓𝐴(𝑋)𝐴(𝑋)=(𝜎𝑓𝜇𝐺)(𝑋)=(𝑑(𝐿exp(𝑎)))1(𝑑𝜎𝑓(𝑋))=𝑑(𝐿exp(𝑎)1)exp(𝑎)(𝑑(exp𝑢)𝑝(𝑋))=𝑑(𝐿exp(𝑎)1)exp(𝑎)(𝑑exp𝑎(𝑣))=𝑑(𝐿exp(𝑎)1exp)𝑎(𝑣)=dd𝑡|𝑡=0(exp(𝑎)1exp(𝑎+𝑡𝑣)).

Die Behauptung folgt nun daraus, dass die Exponentialabbildung der Lie-Gruppe 𝑆1 ein Gruppenhomomorphismus ist und somit gilt exp(𝑎)1exp(𝑎+𝑡𝑣)=exp(𝑡𝑣).

Da wir in Kapitel 4 eine abelsche Eichtheorie betrachten, sind wir auch an dieser Stelle an den Vereinfachungen interessiert, die in diesem Fall auftreten.

Bemerkung 2.6.7 Sei 𝐺 abelsch und seien die Abbildungen

𝜙:Ω𝑘(𝑀,Ad)Ωhor𝑘(𝑃,𝔤)(𝐺,id)𝑑𝐴:Ω𝑘(𝑀,Ad𝑃)Ω𝑘+1(𝑀,Ad𝑃)

definiert wie in Satz 2.5.3 bzw. Definition 2.6.1. Dann gelten die folgenden Aussagen.

  1. Das adjungierte Bündel Ad𝑃 ist trivial, d. h.

    Ad𝑃𝑀×𝔤.
  2. Die Abbildung 𝜙 ist gegeben durch 𝜙=𝜋, wobei 𝜋:𝑃𝑀 die Projektion in 𝑃 ist.

  3. Die Abbildung 𝑑𝐴 reduziert sich zu 𝑑𝐴𝜔=𝑑𝜔 für alle 𝜔Ω𝑘(𝑀,𝔤).

  4. Wenn 𝑓𝒢︀(𝑃) eine Eichtransformation ist, dann existiert eine glatte Funktion 𝜎:𝑀𝐺 mit

    𝑓(𝑝)=𝑝(𝜋𝜎)(𝑝).
  5. Die Krümmungsform 𝐹𝐴Ω2(𝑃,𝔤) und die lokale Krümmungsform Ω𝐴Ω2(𝑀,𝔤) sind invariant unter Eichtransformationen.

Beweis: Die erste Aussage folgt sofort aus Ad𝑎=id𝔤 für alle 𝑎𝐺. Die zweite Aussage folgt aus der ersten und aus der Definition von 𝜙. Die dritte, vierte und fünfte Aussage folgen wieder aus Ad𝑎=id𝔤 für alle 𝑎𝔤, sowie aus Satz 2.5.9 und Lemma 2.6.5.

2.7. Chern- und Pontrjagin Klassen

Sei wieder 𝑀 eine Mannigfaltigkeit, 𝐺 eine Lie-Gruppe, 𝔤 ihre Lie-Algebra, 𝑃 ein 𝐺-HFB über 𝑀, 𝐴 eine Zusammenhangsform auf 𝑃 und 𝐹𝐴Ωhor2(𝑃,𝔤)(𝐺,Ad) die zu 𝐴 gehörige Krümmungsform.

Um in Kapitel 4 mit Hilfe des Atiyah-Singer-Indexsatzes den Index des Dirac-Operators einer Spin-Mannigfaltigkeit formulieren zu können, benötigen wir die Begriffe der Chern- und Pontrjagin-Klassen.

Definition 2.7.1 Wir betrachten die kommutative Algebra der symmetrischen, Ad-invarianten Abbildungen 𝑆Ad(𝔤)𝑘0𝑆Ad𝑘(𝔤), wobei

𝑆Ad𝑘(𝔤){𝑓:𝔤××𝔤|𝑓mutlilin., symmetrisch,Ad-invariant}.

Die Multiplikation ist dabei für 𝑓𝑆Ad𝑘(𝔤),𝑆Ad(𝔤) gegeben durch

(𝑓)(𝑋1,,𝑋𝑘+)1(𝑘+)!𝜎𝑆(𝑘+)𝑓(𝑋𝜎(1),,𝑋𝜎(𝑘))(𝑋𝜎(𝑘+1),,𝜎(𝑘+𝑙))

und lineare Fortsetzung.

Definition 2.7.2 Für 𝑓𝑆Ad𝑘(𝔤) ist

𝑓(𝐹𝐴𝐹𝐴𝑘-mal)𝑓𝐹𝐴𝐹𝐴Ωhor2𝑘(𝑃,)(𝐺,id)

horizontal und Ad-invariant und kann somit gemäß Satz 2.5.3 mit einer Form

𝑓(𝐹𝐴𝐹𝐴)Ω2𝑘(𝑀,)

auf 𝑀 identifiziert werden, welche wir wieder mit demselben Namen bezeichnen.

Es kann nun gezeigt werden (siehe zum [Bau14]), dass für 𝑓𝑆Ad𝑘(𝔤) die Kohomologie-Klasse

[𝑓(𝐹𝐴𝐹𝐴)]ΩdR2𝑘(𝑀,)

unabhängig von der Wahl der Zusammenhangsform 𝐴 auf 𝑃 ist. Somit ergibt sich folgende Definition.

Definition 2.7.3 Die additive Fortsetzung der Abbildung

𝑊𝑃:𝑆Ad𝑘(𝔤)𝑓[𝑓(𝐹𝐴𝐹𝐴)]𝐻dR2𝑘(𝑀,)

zu einer Abbildung 𝑊𝑃:𝑆Ad(𝔤)𝐻dR(𝑀,) heißt Weil-Homomorphismus zu 𝑃.

Um die Chern-Klassen eines komplexen Vektorbündels zu definieren, benötigen wir außerdem den Begriff eines homogenen Polynoms.

Definition 2.7.4 Eine Abbildung 𝑞:𝔤 heißt homogenes Polynom von Grad 𝑘, wenn sie bezüglich einer Basis von 𝔤 als eine Linearkombination von Produkten von Koeffizientenfunktionen geschrieben werden kann und außerdem gilt

𝑞(𝜆𝑋)=𝜆𝑘𝑞(𝑋)𝑋𝔤,𝜆.

Wir schreiben 𝑃Ad(𝔤)𝑘0𝑃Ad𝑘(𝔤) für die kommutative Algebra der homogenen, Ad-invarianten Polynome, wobei 𝑃Ad𝑘(𝔤) der -Vektorraum der homogenen, Ad-invarianten Polynome von Grad 𝑘 ist. Die Multiplikation auf 𝑃Ad(𝔤) ist durch die Multiplikation von Polynomen gegeben.

Proposition 2.7.5 Die Abbildung

𝑆Ad𝑘(𝔤)𝑓𝑞𝑓(𝑋1,,𝑋𝑘𝑓(𝑋1,,𝑋𝑘))𝑃Ad𝑘(𝔤)

ist ein Algebrenisomorphismus von -Algebren.

Beweis: Siehe Bemerkung 14.9 in [Sch24].

Definition 2.7.6 Für ein homogenes Polynom 𝑞𝑃Ad𝑘(𝔤) schreiben wir

𝑊𝑃(𝑞)𝑊𝑃(𝑓𝑞)𝐻dR2𝑘(𝑀,).

Dabei ist 𝑓𝑞𝑆Ad𝑘(𝔤) die gemäß Proposition 2.7.5 zu 𝑞 gehörige symmetrische, Ad-invariante Abbildung.

Wir können nun die zu einem komplexen Vektorbündel gehörigen Chern-Klassen definieren.

Definition 2.7.7 Sei (𝑃,𝜋,𝑀;GL(𝑚,)) ein GL(𝑚,)-HFB über 𝑀 und 𝔤𝔩(𝑚,)Mat(𝑚,) die Lie-Algebra von GL(𝑚,). Wir definieren Polynome 𝑞0,,𝑞𝑚:𝔤𝔩(𝑚,) durch

det(𝜆id𝑚𝑋2𝜋𝑖)𝑘=0𝑚𝑞𝑘(𝑋)𝜆𝑚𝑘𝑋𝔤𝔩(𝑚,).

Die 𝑘-te Chern-Klasse von 𝑃 ist dann

𝑐𝑘(𝑃)𝑊𝑃(𝑞𝑘)𝐻dR2𝑘(𝑀,).

Wenn 𝐸 ein komplexes Vektorbündel ist, schreiben wir auch 𝑐𝑘(𝐸)𝑐𝑘(GL(𝐸)), wobei GL(𝐸) das zu 𝐸 gehörige Basenbündel wie in Beispiel 2.2.4 ist.

Definition 2.7.8 Sei (𝐸,𝜋,𝑀;𝐹) ein reelles Vektorbündel über 𝑀. Die 𝑘-te Pontrjagin-Klasse von 𝐸 ist

𝑝𝑘(𝐸)(1)𝑘𝑐2𝑘(𝐸)𝐻dR4𝑘(𝑀,).

Die totale Pontrjagin-Klasse von 𝐸 ist

𝑝(𝐸)1+𝑝1(𝐸)+𝑝2(𝐸)+𝐻dR(𝑀,).

3. Spin-Geometrie mit semi-Riemannscher Signatur

Anknüpfend an Begriffe aus Kapitel 2 definieren wir in diesem Kapitel den Begriff einer Spin- bzw. Spin-Struktur sowie den Dirac-Operator einer semi-Riemannschen Spin- bzw. Spin-Mannigfaltigkeit, damit wir anschließend in Kapitel 4 die Seiberg-Witten-Gleichungen formulieren können. Vorausgesetzt wird der Begriff einer quadratischen Form auf einem Vektorraum und der einer Überlagerung. Die Definitionen folgen denen aus [Sch25] und erweitern sie um die Diskussion des semi-Riemannschen Falls.

3.1. Motivation

Die Fundamentalgruppe von SO(𝑛) mit 𝑛3 ist 2. Daher ist die universelle Überlagerung von SO(𝑛) mit 𝑛3 eine zweifache Überlagerung, genannt Spin(𝑛):

12↪︎Spin(𝑛)𝜋SO(𝑛)1.

Die Überlagerungsabbildung 𝜋:Spin(𝑛)SO(𝑛) ist eine Darstellung, die zwei Elemente auf die Identität abbildet, und sie ist somit nicht injektiv. Für die Gruppe Spin(𝑛) existieren jedoch weitere Darstellungen, insbesondere injektive, die wir Spin-Darstellungen nennen. Es ist interessant zu fragen, wann eine Reduktion der Strukturgruppe des Tangentialbündels einer Riemannschen Mannigfaltigkeit mittels der Spin-Darstellung von SO(𝑛) auf die Spin-Gruppe Spin(𝑛) möglich ist, da sich in diesem Fall der sogenannte Dirac-Operator als eine Art „Wurzel“ des Laplace-Operators definieren lässt. Der Dirac-Operator lässt sich auch im semi-Riemannschen Fall definieren und ist auf Lorentz-Mannigfaltigkeiten wichtig, da sein zugehöriges Eigenwertproblem in der Physik Spin-12-Fermionfelder vor der Zweitquantisierung beschreibt.

3.2. Clifford-Algebren

Wir werden nun die Tensoralgebra über einem Vektorraum einführen, um damit die Clifford-Algebra und anschließend die Pin- und Spin-Gruppe zu einem quadratischen Raum konstruieren zu können.

Definition 3.2.1 Ein quadratischer Raum ist ein Tupel (𝑉,𝑞) bestehend aus einem Vektorraum 𝑉 über einem Körper 𝕂 und einer quadratischen Form 𝑞:𝑉𝕂 auf 𝑉. Im Fall 𝕂{,} nennen wir (𝑉,𝑞) einen reellen bzw. komplexen quadratischen Raum.

Definition 3.2.2 Sei 𝑉 ein 𝕂-Vektorraum. Die Tensoralgebra über 𝑉 ist

Τ(𝑉)𝑛𝑉𝑛mit𝑉𝑛𝑉𝑉𝑛-mal,𝑉0𝕂,

zusammen mit dem Tensorprodukt als Multiplikation. Elemente in dieser Algebra sind endliche Summen reiner Tensoren, d. h.

𝑇(𝑉)={𝜆,𝑣,𝑣𝑤,𝑣𝑤𝑢+𝑢𝑣,|𝑣,𝑤,𝑢,𝑉,𝜆𝕂}mit(𝑣𝑤+𝑢)𝑣=𝑣𝑤𝑣+𝑢𝑣𝑇(𝑉)für𝑣,𝑤,𝑢𝑇(𝑉).

In einem gewissen Sinne ist 𝑇(𝑉) die „größte“ von 𝑉 generierte Algebra über 𝕂. Das Ziel sei nun, aus der Tensoralgebra eines quadratischen Raumes (𝑉,𝑞) eine Algebra zu konstruieren, die 𝑉 enthält und in der die Relation 𝑣𝑣=𝑞(𝑣) für alle 𝑣𝑉 gilt.

Definition 3.2.3 Sei (𝑉,𝑞) ein quadratischer Raum, 𝑇(𝑉) die Tensoralgebra über 𝑉 und 𝐼(𝑉,𝑞)𝑇(𝑉) das zweiseitige Ideal in 𝑇(𝑉), welches aus endlichen Summen von Elementen der Form

𝑦(𝑣𝑣+𝑞(𝑣)id𝑇(𝑉))𝑧mit𝑦,𝑧𝑇(𝑉),𝑣𝑉

besteht. Die Clifford-Algebra zu (𝑉,𝑞) ist

Cl(𝑉,𝑞)𝑇(𝑉)/𝐼(𝑉,𝑞).

Lemma 3.2.4 Sei (𝑉,𝑞) ein reeller oder komplexer quadratischer Raum und Cl(𝑉,𝑞) die zu (𝑉,𝑞) gehörende Clifford-Algebra.

  1. Die Einbettung von 𝑉 in die Clifford-Algebra

    𝛾𝜋𝑖:𝑉𝑇(𝑉)Cl(𝑉,𝑞)

    ist injektiv. Wir werden daher ab nun 𝑉𝛾Cl(𝑉,𝑞) identifizieren.

  2. Sei {𝑒1,,𝑒𝑛}𝑉 eine Basis von 𝑉. Dann ist

    {𝑒𝑗1𝑒𝑗𝑘|𝑘{1,,𝑛},1𝑗1<<𝑗𝑘𝑛}{1}

    eine Basis von Cl(𝑉,𝑞).

  3. Wenn 𝑝:𝑉×𝑉𝕂 die zu 𝑞 gehörige symmetrische Bilinearform ist, definiert durch 𝑝(𝑣,𝑣)𝑞(𝑣) für alle 𝑣𝑉, dann gilt für alle 𝑥,𝑦Cl(𝑉,𝑞)

    𝑥𝑦+𝑥𝑦=2𝑝(𝑥,𝑦).

Beweis: Siehe Lemma 1.3 und Korollar 1.4 in [Sch25].

Definition 3.2.5 Sei 𝑞𝑟,𝑠(𝑥)𝑥12𝑥𝑟2+𝑥𝑟+12++𝑥𝑟+𝑠2 die quadratische Standardform mit Signatur (𝑟,𝑠) auf 𝑟+𝑠 und 𝑞𝑟,𝑠 ihre Fortsetzung auf 𝑟+𝑠 definiert durch

𝑞𝑟,𝑠(𝑎+𝑖𝑏)𝑞(𝑎)+𝑖𝑞(𝑏).

Dann schreiben wir

Cl𝑟,𝑠Cl(𝑟+𝑠,𝑞𝑟,𝑠)undCl𝑟,𝑠Cl(𝑟+𝑠,𝑞𝑟,𝑠).

Die Algebra Cl𝑟,𝑠 ist somit eine reelle Algebra mit 𝑟+𝑠Cl𝑟,𝑠 in der die Relationen 𝑒𝑖2=1 für 𝑖𝑟 und 𝑒𝑖2=1 für 𝑖>𝑟 gelten.

Beispiel 3.2.6 Die reelle Clifford-Algebra Cl0,1=Cl(,𝑞0,1), d. h. die Clifford-Algebra der reellen Zahlen (als reeller Vektorraum) und der quadratischen Form 𝑥𝑥2, ist als Algebra isomorph zur Algebra der komplexen Zahlen zusammen mit der komplexen Multiplikation:

Cl0,1=Cl(,𝑥𝑥2)(,).

Dies können wir wie folgt einsehen. Gemäß Lemma 3.2.4 ist {1,𝑒1} eine Basis von Cl(,𝑥𝑥2). Somit definieren wir eine lineare Abbildung 𝑓:Cl0,1 durch

𝑓(1)1,𝑓(𝑒1)𝑖und lineare Fortsetzung.

Die so definierte Abbildung ist ein Vektorraum-Isomorphismus. Sie ist sogar ein Algebren-Isomorphismus, denn es gilt

𝑓(1𝑒1)=𝑓(𝑒1)=𝑓(1)𝑓(𝑒1),𝑓(𝑒1𝑒1)=𝑓(1)=1,𝑓(11)=1=𝑓(1)𝑓(1),𝑓(𝑒1)𝑓(𝑒1)=𝑖𝑖=1.

Für die spätere Definition der Spin-Darstellung benötigen wir die wie folgt lautende universelle Eigenschaft der Clifford-Algebra.

Beispiel 3.2.7 Die reelle Clifford-Algebra Cl0,2 ist als Algebra isomorph zu den Quaternionen mit der quaternionischen Multiplikation. Für einen Beweis siehe [Sch24].

Lemma 3.2.8 Sei Cl(𝑉,𝑞) die Clifford-Algebra zu einem quadratischen Raum (𝑉,𝑞) und 𝛾:𝑉Cl(𝑉,𝑞) die Einbettung von 𝑉 in Cl(𝑉,𝑞) wie in Lemma 3.2.4. Wenn 𝐴 eine weitere 𝕂-Algebra und 𝛿:𝑉𝐴 eine lineare Abbildung ist, die für alle 𝑣𝑉 die Bedingung 𝛿(𝑣)𝛿(𝑣)=𝑞(𝑣)id𝐴 erfüllt, dann existiert ein eindeutiger Algebrenhomomorphismus 𝑓:Cl(𝑉,𝑞)𝐴 mit 𝛿=𝑓𝛾.

Beweis: Nach der universellen Eigenschaft der Tensoralgebra existiert genau ein Algebrenhomomorphismus 𝑓̃:𝑇(𝑉)𝐴 mit 𝛿=𝑓̃𝑖. Da 𝑓̃|𝐼(𝑉,𝑞)=0 gilt, kann 𝑓̃ auf 𝑇(𝑉)/𝐼(𝑉,𝑞) fortgesetzt werden zu einer Abbildung 𝑓 mit 𝑓̃=𝑓𝜋. Es folgt 𝛿=𝑓𝛾. Nach der universellen Eigenschaft von Quotienten ist 𝑓 eindeutig.

Nachdem wir im nächsten Abschnitt die Pin- und Spin-Gruppen eingeführt haben, wollen wir eine gewisse doppelte Überlagerung der (speziellen) orthogonalen Gruppe definieren. Für diesen Zweck benötigen wir die folgende Abbildung.

Definition 3.2.9 Sei (𝑉,𝑞) ein reeller oder komplexer quadratischer Raum, Cl(𝑉,𝑞) die Clifford-Algebra zu (𝑉,𝑞) und {𝑒1,,𝑒𝑛} eine Basis von 𝑉. Seien für alle 𝑘{1,,𝑛} und 1𝑗1<<𝑗𝑘𝑛 die Abbildungen

𝛼(𝑒𝑗1𝑒𝑗𝑘)(1)𝑘 𝑒𝑗1𝑒𝑗𝑘und𝛼(1)=1

definiert. Durch lineare Fortsetzung entsteht ein Algebrenautomorphismus auf ganz Cl(𝑉,𝑞).

3.3. Darstellungen der Pin- und Spin-Gruppe

Sei wieder Cl(𝑉,𝑞) die Clifford-Algebra zu einem quadratischen Raum (𝑉,𝑞). Sei außerdem die quadratische Form 𝑞:𝑉𝕂 nicht-entartet.

Wir werden nun die Pin- und Spin-Gruppe als multiplikative Untergruppe der Clifford-Algebra einführen. Anschließend werden wir im Fall 𝕂{,} eine Abbildung von der Pin-Gruppe in die Invarianzgruppe der quadratischen Form 𝑞:𝑉𝕂 definieren und zu dieser Abbildung bemerken, dass sie eine doppelte Überlagerung ist.

Bemerkung 3.3.1 Die Clifford-Algebra Cl(𝑉,𝑞) ist eine unitäre, assoziative Algebra. In Cl(𝑉,𝑞) existiert außerdem für alle 𝑣𝑉Cl(𝑉,𝑞) das multiplikative Inverse

𝑣1=𝑣𝑞(𝑣).

Somit existieren die folgenden Gruppen.

Definition 3.3.2

  1. Die Pin- bzw. die Spin-Gruppe zu (𝑉,𝑞) ist die folgende multiplikative Untergruppe von Cl(𝑉,𝑞)

    Pin(𝑉,𝑞){𝑣1𝑣𝑘|𝑘,𝑖:𝑣𝑖𝑉,𝑞(𝑣𝑖){±1}},Spin(𝑉,𝑞){𝑣1𝑣2𝑘|𝑘,𝑖:𝑣𝑖𝑉,𝑞(𝑣𝑖){±1}}Pin(𝑉,𝑞).
  2. Die Invarianzgruppe von 𝑞 ist

    𝑂(𝑉,𝑞){𝐴:𝑉𝑉linear|𝑣𝑉:𝑞(𝐴𝑣)=𝑞(𝑣)}.

    Die spezielle Invarianzgruppe von 𝑞 ist

    SO(𝑉,𝑞){𝐴𝑂(𝑉,𝑞)|det(𝐴)=1}.

Wie angekündigt, werden wir nun feststellen, dass mit dieser Definition der Pin- und Spin-Gruppe im Fall 𝕂{,} eine elegante Konstruktion einer doppelten Überlagerung der soeben definierten (speziellen) Invarianzgruppe von 𝑞 einhergeht. Es sei jedoch gesagt, dass die Invarianzgruppe von 𝑞 im Fall 𝕂= nicht die Interpretation als die zu einer Norm gehörigen orthogonalen Gruppe zulässt, da sie in diesem Fall nicht reell-wertig ist und somit nicht das Quadrat einer Norm sein kann.

Definition 3.3.3 Sei 𝕂{,} und Pin(𝑉,𝑞) die Pin-Gruppe zu (𝑉,𝑞). Sei außerdem 𝛼:Cl(𝑉,𝑞)Cl(𝑉,𝑞) der Algebrenhomomorphismus aus Definition 3.2.9. Dann definieren wir die Abbildung

𝜌:Pin(𝑉,𝑞)End(Cl(𝑉,𝑞))𝑣(𝑥𝛼(𝑣)𝑥𝑣1).

Die Einschränkung dieser Abbildung auf die Untergruppe Spin(𝑉,𝑞)Pin(𝑉,𝑞) bezeichnen wir wieder mit 𝜌.

Bemerkung 3.3.4 Die Abbildung 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)End(Cl(𝑉,𝑞)) bzw. ihre Einschränkung auf Spin(𝑉,𝑞) ist ein Gruppenhomomorphismus, da 𝛼 ein Algebrenhomomorphismus und die Abbildung auf das Inverse in Pin(𝑉,𝑞) bzw. Spin(𝑉,𝑞) ein Antialgebrenhomomorphismus ist.

Um das Bild der so definierten Abbildung auf die Invarianzgruppe 𝑂(𝑉,𝑞) von 𝑞 einschränken zu können, benötigen wir das folgende Lemma.

Lemma 3.3.5 Sei weiterhin 𝕂{,} und 𝛼:Cl(𝑉,𝑞)Cl(𝑉,𝑞) der Algebrenhomomorphismus aus Definition 3.2.9. Sei außerdem 𝑝:𝑉×𝑉𝕂 die zu 𝑞 gehörige symmetrische Bilinearform, definiert durch 𝑞(𝑣)=𝑝(𝑣,𝑣) für alle 𝑣𝑉. Dann gilt in Cl(𝑉,𝑞) für 𝑣,𝑥𝑉 mit 𝑞(𝑣)0

𝛼(𝑣)𝑥𝑣1=𝑥2 𝑝(𝑣,𝑥)𝑞(𝑣)𝑣𝑉.

Dies entspricht der Reflektion von 𝑥 an der bezüglich 𝑝 orthogonalen Hyperebene {𝑣}.

Beweis: Für 𝑣𝑉 mit 𝑞(𝑣)0 gilt 𝑣1=𝑣𝑞(𝑣) und 𝛼(𝑣)=𝑣. Somit gilt gemäß Lemma 3.2.4

𝛼(𝑣)𝑥𝑣1=1𝑞(𝑣) 𝑣𝑥𝑣=1𝑞(𝑣)(𝑥𝑣2𝑝(𝑣,𝑥))𝑣=𝑥2 𝑝(𝑣,𝑥)𝑞(𝑣)𝑣.

Somit können wir aus der Eigenschaft, dass 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)End(Cl(𝑉,𝑞)) ein Gruppenhomomorphismus ist, folgendes Korollar schließen.

Korollar 3.3.6 Sei 𝕂{,} und 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)End(Cl(𝑉,𝑞)) der Gruppenhomomorphismus aus Definition 3.3.3. Für 𝑣1,,𝑣𝑘𝑉 mit 𝑞(𝑣𝑖){±1} für alle 𝑣𝑖{𝑣1,,𝑣𝑘} entspricht

𝜌(𝑣1𝑣𝑘))|𝑉=𝜌(𝑣1)|𝑉𝜌(𝑣𝑘)|𝑉

der Hintereinanderausführung von 𝑘-Spiegelungen an den bezüglich 𝑝 orthogonalen Hyperebenen {𝑣𝑘} bis {𝑣1}. Insbesondere können wir 𝜌 als eine Abbildung der folgenden Form auffassen:

𝜌:Pin(𝑉,𝑞)𝑂(𝑉,𝑞).

Lemma 3.3.7 Sei 𝕂{,}. Dann besitzen Cl(𝑉,𝑞) und End(𝑉) als endlich-dimensionale reelle bzw. komplexe Vektorräume eine Topologie und auf Pin(𝑉,𝑞)Cl(𝑉,𝑞) sowie 𝑂(𝑉,𝑞)End(𝑉) wird jeweils die Teilraumtopologie induziert. Bezüglich diesen Topologien ist die Abbildung 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)𝑂(𝑉,𝑞) stetig.

Beweis: Siehe [LM89].

Insgesamt ist es das Ziel, diese (bisher nur stetige) Abbildung als Lie-Gruppen-Homomorphismus aufzufassen, um später eine Reduktion der Strukturgruppe des Tangentialbündels einer Mannigfaltigkeit anhand dieser Abbildung definieren zu können (siehe Definition 2.2.7). In diesem Sinne müssen wir die Pin- und Spin-Gruppe zunächst als Lie-Gruppen auffassen. Dies wird sich aus der Identifikation dieser Gruppen als abgeschlossene Untergruppen der folgenden Lie-Gruppe ergeben.

Lemma 3.3.8 Im Fall 𝕂{,} bildet die Menge der beidseitig invertierbaren Elemente Cl(𝑉,𝑞)× in Cl(𝑉,𝑞) („Einheiten“) mit der glatten Struktur als Untermannigfaltigkeit von Cl(𝑉,𝑞) eine Lie-Gruppe.

Beweis: Siehe [Sch25].

Beweis: Seien 𝐿𝑎:Cl(𝑉,𝑞)Cl(𝑉,𝑞) bzw. 𝑅𝑎:Cl(𝑉,𝑞)Cl(𝑉,𝑞) die Links- bzw. Rechtsmultiplikation mit 𝑎Cl(𝑉,𝑞). Die Menge Cl(𝑉,𝑞)× der Einheiten in Cl(𝑉,𝑞) ist offen in Cl(𝑉,𝑞), denn sie ist Schnittmenge der von links bzw. von rechts invertierbaren Elemente und diese Mengen sind offen, da

𝐿𝑎ist invertierbardet(𝐿𝑎)0(genauso für𝑅𝑎).

Somit bildet Cl(𝑉,𝑞)× eine Untermannigfaltigkeit von Cl(𝑉,𝑞). Die Multiplikation in Cl(𝑉,𝑞)× ist glatt, da sie Einschränkung einer bilinearen Abbildung auf Cl(𝑉,𝑞) ist. Durch die Wahl einer submultiplikativen Norm auf Cl(𝑉,𝑞), kann durch Abschätzung der Potenzreihe mittels der Submultiplikativität der Norm gezeigt werden, dass die Abbildung

{𝑎Cl(𝑉,𝑞)|𝑎<1}𝑎𝑘=0𝑎𝑘=(1𝑎)1

glatt ist. Also ist die Abbildung auf das Inverse

inv:Cl(𝑉,𝑞)×𝑎𝑎1Cl(𝑉,𝑞)×

glatt um 1Cl(𝑉,𝑞)×. Sie ist daher auch glatt um alle 𝑎Cl(𝑉,𝑞)×, da sie sich als folgende Komposition ergibt:

inv:𝑅𝑎invglattum1𝐿𝑎1.

Schließlich bleibt für die Auffassung der Pin- und Spin-Gruppe als Lie-Gruppen mittels Lemma 2.1.3 zu zeigen, dass diese abgeschlossene Untergruppen der Einheiten Cl(𝑉,𝑞)× sind. Im Riemannschen Fall (𝑞 positiv definit) ist Pin(𝑉,𝑞) bzw. Spin(𝑉,𝑞) das Bild kompakter Mengen unter stetigen Abbildungen (der Multiplikation) und somit sogar kompakt und insbesondere abgeschlossen. Im Fall einer allgemeinen nicht-entarteten quadratischen Form 𝑞 werden wir stattdessen aus dem Satz von Cartan-Dieudonné folgern, dass die Abbildung 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)𝑂(𝑉,𝑞) bzw. ihre Einschränkung auf die Spin-Gruppe surjektiv ist und somit die Pin- bzw. Spin-Gruppe als Urbild einer abgeschlossenen Menge unter einer stetigen Abbildung abgeschlossen.

Satz 3.3.9 Wenn 𝑞̃ eine nicht-ausgeartete quadratische Form auf einem endlich-dimensionalen Vektorraum 𝑉̃ über einem Körper der Charakteristik ungleich zwei ist, dann ist jedes Element der Invarianzgruppe 𝑂(𝑉̃,𝑞̃) (definiert analog wie in Definition 3.3.2) eine Hintereinanderausführung von (maximal dim(𝑉)-)Reflektionen. Dies bezeichnen wir als das Theorem von Cartan-Dieudonné.

Beweis: Siehe [Art57].

Korollar 3.3.10 Sei 𝕂{,} und Pin(𝑉,𝑞), Spin(𝑉,𝑞) die Pin- bzw. Spin-Gruppe sowie 𝑂(𝑉,𝑞), SO(𝑉,𝑞) die (spezielle) orthogonale Gruppe, jeweils zu (𝑉,𝑞).

  1. Die Abbildung 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)𝑂(𝑉,𝑞) aus Definition 3.3.3 ist stetig und gemäß dem Satz von Cartan-Dieudonné surjektiv. Somit ist Pin(𝑉,𝑞) abgeschlossen. Da sich außerdem 𝐴SO(𝑉,𝑞) aus einer geraden Anzahl an Reflektionen zusammensetzt, folgt 𝜌1(SO(𝑉,𝑞))=Spin(𝑉,𝑞) und somit auch, dass Spin(𝑉,𝑞) abgeschlossen ist.

  2. Die Gruppen Pin(𝑉,𝑞) und Spin(𝑉,𝑞) zu (𝑉,𝑞) sind als abgeschlossene Untergruppen der Lie-Gruppe Cl(𝑉,𝑞)× der Einheiten in Cl(𝑉,𝑞) wieder Lie-Gruppen und die Abbildung 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)𝑂(𝑉,𝑞) bzw. ihre Einschränkung 𝜌:Spin(𝑉,𝑞)SO(𝑉,𝑞) ist als stetiger Gruppenhomomorphismus zwischen Lie-Gruppen nach Lemma 2.1.7 glatt, also ein Lie-Gruppenhomomorphismus.

Schließlich lässt sich feststellen, dass die so gefundenen Darstellungen tatsächlich zweifache Überlagerungen sind. Dazu bemerken wir, dass die Abbildung ein lokaler Diffeomorphismus ist und dass ihr Kern aus zwei Elementen besteht.

Lemma 3.3.11 Sei 𝕂{,} und Pin(𝑉,𝑞),Spin(𝑉,𝑞),𝑂(𝑉,𝑞),SO(𝑉,𝑞) wie bisher. Dann gilt:

  1. Der Kern von 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)𝑂(𝑉,𝑞) ist {±1}Spin(𝑉,𝑞).

  2. Die Abbildung 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)𝑂(𝑉,𝑞) sowie ihre Einschränkung 𝜌:Spin(𝑉,𝑞)SO(𝑉,𝑞) ist ein lokaler Diffeomorphismus.

Beweis:

  1. Sei 𝑢Pin(𝑉,𝑞) mit 𝜌(𝑢)=id𝑉. Aus 𝜌1(SO(𝑉,𝑞))=Spin(𝑉,𝑞) folgt 𝑢Spin(𝑉,𝑞). Sei {𝑒1,,𝑒𝑛} eine 𝑞-Orthonormalbasis von 𝑉. Gemäß Lemma 3.2.4 lässt sich 𝑢 wie folgt schreiben:

    𝑢=𝑘{1,,𝑛},𝑘gerade1𝑗1<<𝑗𝑘𝑛𝑢𝑗1,,𝑗𝑘𝕂𝑒𝑗1𝑒𝑗𝑘+𝑢0𝕂.

    Außerdem folgt aus 𝑢Spin(𝑉,𝑞), dass 𝛽(𝑢)=𝑢1 gilt. Somit folgt

    𝜌(𝑢)(𝑦)=𝑦𝑢𝑦𝑢1=𝑦𝑢𝑦=𝑦𝑢𝑦𝑉.

    Insbesondere gilt 𝑒𝑖𝑢𝑒𝑖=𝑞(𝑒𝑖)𝑢 für alle Basisvektoren 𝑒𝑖. Für dieses Produkt gilt auch:

    𝑒𝑖𝑢𝑒𝑖=𝑘{1,,𝑛}, 𝑘gerade1𝑗1<<𝑗𝑘𝑛𝑢𝑗1,,𝑗𝑘𝑒𝑖𝑒𝑗1𝑒𝑗𝑘𝑒𝑖+𝑒𝑖2𝑢0=𝑘{1,,𝑛}, 𝑘gerade1𝑗1<<𝑗𝑘𝑛𝑢𝑗1,,𝑗𝑘𝑒𝑖2(1)𝑘1𝑒𝑗1𝑒𝑗𝑘+𝑒𝑖2𝑢0=𝑞(𝑒𝑖)=!𝑞(𝑒𝑖)𝑢.

    Aus der letzten Zeile folgt, dass 𝑢𝑗1,,𝑗𝑘=0 für alle 𝑘{1,,𝑛} und somit 𝑢𝕂. Aus 𝑢Pin(𝑉,𝑞) folgt schließlich 𝑢{±1}. Die Inklusion {±1}ker𝜌 ist klar.

  2. Wir zeigen die Aussage für Pin(𝑉,𝑞); die Aussage für Spin(𝑉,𝑞) folgt analog. Zuerst zeigen wir, dass 𝜌 ein lokaler Diffeomorphismus um 1Pin(𝑉,𝑞) ist. Sei dazu 𝔭𝔦𝔫(𝑉,𝑞) die Lie-Algebra der Lie-Gruppe Pin(𝑉,𝑞) und (𝑑𝜌)1 das Differential von 𝜌 an 1Pin(𝑉,𝑞), sowie 𝑋𝔭𝔦𝔫(𝑉,𝑞). Dann gilt gemäß Lemma 2.1.14

    𝜌(exp(𝑡𝑋))=exp(𝑡(𝑑𝜌)1(𝑋)).

    Wäre 𝑋ker(𝑑𝜌)1 mit 𝑋0, würde die gesamte Integralkurve zu 𝑋 im Kern von 𝜌 liegen, was in Widerspruch zu 1. steht. Also gilt ker(𝑑𝜌)1=0 und aus dem Umkehrsatz folgt, dass 𝜌 ein lokaler Diffeomorphismus um 1Pin(𝑉,𝑞) ist. Da 𝜌 ein Gruppenhomomorphismus ist, überträgt sich diese Eigenschaft auf ganz Pin(𝑉,𝑞), denn um alle 𝑔Pin(𝑉,𝑞) lässt sich 𝜌 darstellen als Abbildung:

    𝜌:Pin(𝑉,𝑞)𝑔𝜌()um1Pin(𝑉,𝑞)𝜌(𝑔)const.𝑂(𝑉,𝑞).

Proposition 3.3.12 Sei 𝕂{,}. Die Abbildung 𝜌:Pin(𝑉,𝑞)𝑂(𝑉,𝑞) aus Definition 3.3.3 bzw. ihre Einschränkung 𝜌:Spin(𝑉,𝑞)SO(𝑉,𝑞) ist eine doppelte Überlagerung.

Beweis: Sei 𝐴𝑂(𝑉,𝑞) und 𝜌1(𝐴)={±𝑢}. Wähle offene Umgebungen 𝑈,𝑈 von 𝑢 und 𝑢, sodass 𝜌 eingeschränkt auf 𝑈 bzw. 𝑈 ein Diffeomorphismus wird. Dann ist

𝑉𝜌(𝑈)𝜌(𝑈)

eine offene Umgebung von 𝐴, sodass 𝜌1(𝑉) eine disjunkte Vereinigung zweier offener Umgebungen ist, auf die eingeschränkt 𝜌 jeweils ein Diffeomorphismus ist. Die Aussage für 𝜌:Spin(𝑉,𝑞)SO(𝑉,𝑞) folgt analog.

Wir haben nun das folgende Korollar gezeigt.

Korollar 3.3.13 Sei 𝕂{,}. Dann sind die folgenden Sequenzen exakt:

12↪︎Pin(𝑉,𝑞)𝜌𝑂(𝑉,𝑞)112↪︎Spin(𝑉,𝑞)𝜌SO(𝑉,𝑞)1.

Die so gefundenen Darstellungen der Pin-Gruppe und der Spin-Gruppe wirken trivial auf dem Element 1Spin(𝑉,𝑞)Pin(𝑉,𝑞). Das Ziel ist es nun, eine Darstellung zu finden, die nicht trivial auf diesem Element wirkt, also injektiv ist, und wir werden solche Darstellungen Spin-Darstellungen nennen.

Definition 3.3.14 Sei wieder 𝑞𝑟,𝑠(𝑥)𝑥12𝑥𝑟2+𝑥𝑟+12++𝑥𝑟+𝑠2 die quadratische Standardform mit Signatur (𝑟,𝑠) auf 𝑟+𝑠. Die folgenden Gruppen nennen wir die Pin- bzw. Spin-Gruppe mit Signatur (𝑟,𝑠):

Pin(𝑟,𝑠)Pin(𝑟+𝑠,𝑞𝑟,𝑠),Spin(𝑟,𝑠)Spin(𝑟+𝑠,𝑞𝑟,𝑠).

Um eine Spin-Darstellung der Gruppe Spin(𝑟,𝑠) zu finden, werden wir zuerst eine Algebrendarstellung der komplexen Clifford-Algebra Cl𝑟,𝑠 finden, die nicht-trivial auf dem Element 1 wirkt, und diese dann auf Spin(𝑟,𝑠)Cl𝑟,𝑠Cl𝑟,𝑠 einschränken. Die Physik bezeichnet eine solche Darstellung von Cl𝑟,𝑠 im Fall (𝑟=1,𝑠=3) als Dirac- bzw. Gamma-Matrizen. Zur Konstruktion dieser Darstellung benötigen wir zunächst die wie folgt definierten Matrizen und ihre Eigenschaften.

Definition 3.3.15 Die Pauli-Matrizen sind

𝜎1(0110),𝜎2(0𝑖𝑖0)und𝜎3(1001).

Bemerkung 3.3.16 Zusammen mit der Einheitsmatrix bilden die Pauli-Matrizen eine Basis von Mat(2,). Sie antikommutieren paarweise, quadrieren jeweils zur Identität und es gilt

𝜎1𝜎2=𝑖𝜎3.

Bemerkung 3.3.17 Für 𝑖,𝑗{1,2,3} wirkt das Tensorprodukt zweier Pauli-Matrizen auf dem Tensorproduktraum 22 durch

𝜎𝑖𝜎𝑗:22𝑣𝑤𝜎𝑖𝑣𝜎𝑗𝑤22.

In der lexikographischen Basiswahl, d. h.

(𝑒1𝑒1,𝑒1𝑒2,𝑒2𝑒1,𝑒2𝑒2),

entspricht diese Abbildung dem Kronecker-Produkt der Matrizen 𝜎𝑖,𝜎𝑗 der beiden Matrizen gegeben. Beispielsweise ist die Darstellungsmatrix für 𝑖=1,𝑗=2 in dieser Basis gegeben durch

𝜎1𝜎2(0(0𝑖𝑖0)1(0𝑖𝑖0)1(0𝑖𝑖0)0(0𝑖𝑖0))=(000𝑖00𝑖00𝑖00𝑖000).

Dem 𝑛-fachen Tensorprodukt beliebiger 2×2-Matrizen kann in diesem Sinne eine 2𝑛×2𝑛-Darstellungsmatrix zugeordnet werden.

Analog zu [Sch25], wo die Spin-Darstellung von Cl0,𝑠 beschrieben wurde, definieren wir nun die Spin-Darstellung von Cl𝑟,𝑠. Das Finden einer Spin-Darstellung für allgemeine Signatur erfolgt analog, da die Isomorphieklasse von Cl𝑟,𝑠 nur von 𝑟+𝑠 abhängt.

Proposition 3.3.18 Sei 𝑛𝑟+𝑠 mit 𝑟,𝑠 sowie Cl𝑟,𝑠 die komplexe Clifford-Algebra mit Signatur (𝑟,𝑠) wie in Definition 3.2.5. Seien außerdem 𝜎1,𝜎2,𝜎3 die Pauli-Matrizen und 𝐼2Mat(2,) die 2×2-Einheitsmatrix.

  1. Fall 𝑛=2𝑚 gerade.

    Sei eine lineare Abbildung 𝜑𝑛:𝑛Mat(2𝑚,) gegeben durch

    𝜑𝑛:𝑒2𝑗1𝑖 𝜎1𝜎1𝑗1𝜎2𝐼2𝐼2𝑚𝑗𝑒2𝑗𝑖 𝜎1𝜎1𝜎3𝐼2𝐼2(𝑗=1,,𝑚).
  2. Fall 𝑛=2𝑚+1 ungerade.

    Sei eine lineare Abbildung 𝜑𝑛:𝑛Mat(2𝑚,)Mat(2𝑚,) gegeben durch

    𝜑𝑛:𝑒𝑗(𝜑𝑛1(𝑒𝑗),𝜑𝑛1(𝑒𝑗))(𝑗=1,,2𝑚)𝑒2𝑚+1(𝑖𝜎1𝜎1𝑚,𝑖𝜎1𝜎1𝑚).

Sei anschließend eine lineare Abbildung 𝜑𝑟,𝑠 gegeben durch:

𝜑𝑟,𝑠:𝑒𝑗{𝑖𝜑𝑛(𝑒𝑗)𝑗𝑟𝜑𝑛(𝑒𝑗)sonst

Durch multiplikative Fortsetzung auf Cl𝑟,𝑠 entsteht ein Algebren-Isomorphismus in eine Matrixalgebra bzw. in eine direkte Summe zweier Matrixalgebren.

Beweis: Sei 𝑛=2𝑚 gerade. Die Abbildung 𝜑𝑟,𝑠 erfüllt die Voraussetzung der universellen Eigenschaft aus Lemma 3.2.8. Daher lässt sich 𝜑𝑟,𝑠 (eindeutig) zu einem Algebrenhomomorphismus 𝜑𝑟,𝑠:Cl𝑟,𝑠Mat(2𝑚,) fortsetzen. Dieser ist surjektiv, denn für 𝑗{1,,𝑚} wird auf die Elemente

𝜑𝑟,𝑠(𝑒2𝑗1𝑒2𝑗)={𝑖𝐸𝑗1𝜎1𝐸𝑚𝑗𝑗𝑟𝐸𝑗1𝜎1𝐸𝑚𝑗𝑗=𝑟+1𝑖𝐸𝑗1𝜎1𝐸𝑚𝑗𝑗𝑟+1

abgebildet. Durch Multiplikation dieser Elemente mit 𝑖 bzw. 𝑖 entstehen die Elemente

𝐸𝑗1𝜎1𝐸𝑚𝑗.

Durch Multiplikation dieser Elemente untereinander entstehen die Elemente

𝜎1𝑗𝐸𝑚𝑗.

Durch Multiplikation dieser Elemente mit 𝜑𝑟,𝑠(𝑒2𝑗1) bzw. 𝜑𝑟,𝑠(𝑒2𝑗) und Multiplikation mit einer komplexen Zahl erhalten wir die Elemente

𝐸𝑗1𝜎3𝐸𝑚𝑗und𝐸𝑗1𝜎2𝐸𝑚𝑗.

Da die Pauli-Matrizen eine Basis von Mat(2,) bilden, entstehen aus Gl. (3.1) und Gl. (3.2) ganz Mat(2𝑚,). Aus der Surjektivität von 𝜑𝑟,𝑠 als lineare Abbildung folgt auch die Injektivität, da dim(Mat(2𝑚,))=2𝑛=dim(Cl𝑟,𝑠) gilt. Für den Fall 𝑛=2𝑚+1 ungerade siehe [Sch25].

Den Vektorraum, auf dem diese Tensorprodukte wirken, bezeichnen wir wie folgt.

Definition 3.3.19 Für 𝑚 und 𝑛{2𝑚,2𝑚+1} definieren wir den Raum der komplexen 𝑛-Spinoren durch

Δ𝑛22𝑚(2𝑚).

Definition 3.3.20 Sei Cl𝑟,𝑠 die reelle Clifford-Algebra mit Signatur (𝑟,𝑠) wie in Definition 3.2.5 und Spin(𝑟,𝑠) die Spin-Gruppe mit Signatur (𝑟,𝑠) wie in Definition 3.3.14.

  1. Die Spin-Darstellung von Cl𝑟,𝑠 ist der Algebrenhomomorphismus

    𝜅𝑟,𝑠:Cl𝑟,𝑠End(Δ𝑛)𝑎{𝜑𝑟,𝑠(𝑎)𝑟+𝑠geradepr1𝜑𝑟,𝑠(𝑎)𝑟+𝑠ungerade
  2. Die Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠) ist die Einschränkung:

    𝜅𝜅𝑟,𝑠|Spin(𝑟,𝑠):Spin(𝑟,𝑠)GL(Δ𝑛)End(Δ𝑛).

Zuletzt möchten wir noch feststellen, dass diese Abbildung tatsächlich eine Darstellung ist und im Fall 𝑟+𝑠 gerade, wie gefordert, injektiv ist. Auch für ungerade 𝑟+𝑠 ist diese Darstellung injektiv, jedoch ist nur der Fall (𝑟=0,𝑠=4) für die Seiberg-Witten-Gleichungen relevant. Auch der für die Physik relevante Fall (𝑟=1,𝑠=3) ist gerade.

Korollar 3.3.21 Die Spin-Darstellung 𝜅:Spin(𝑟,𝑠)GL(Δ𝑛) ist eine Darstellung (da sie durch einen Algebrenhomomorphismus gegeben ist), und für 𝑟+𝑠 gerade ist sie treu (d. h. injektiv), da sie in diesem Fall durch einen Algebren-Isomorphismus gegeben ist. Sie ist außerdem stetig als Einschränkung einer linearen Abbildung und somit glatt als stetiger Gruppenhomomorphismus zwischen Lie-Gruppen gemäß Lemma 2.1.7.

3.4. Spin-Strukturen und der Dirac-Operator

Sei (𝑀,𝑔) eine orientierte semi-Riemannsche Mannigfaltigkeit, (𝑟,𝑠) die Signatur von 𝑔 und SO(𝑀,𝑔) das SO(𝑟,𝑠)-HFB der positiv orientierten 𝑔-Orthonormalbasen von 𝑇𝑀.

Wie in Bemerkung 2.2.9 beschrieben, entspricht die Fixierung der Riemannschen Metrik 𝑔 auf 𝑀 einer Reduktion der Strukturgruppe des zum Tangentialbündel gehörigen Basenbündels GL(𝑀) von GL(𝑟+𝑠,) auf 𝑂(𝑟,𝑠). Es kann gezeigt werden, dass auch die Existenz einer Orientierung auf 𝑇𝑀 äquivalent zur Existenz einer weiteren Reduktion der Strukturgruppe des Basenbündels GL(𝑀) von 𝑂(𝑟,𝑠) auf SO(𝑟,𝑠) ist. Nun möchten wir in diesem Abschnitt die Strukturgruppe von 𝑇𝑀 entlang der im vorherigen Kapitel eingeführten Überlagerungsabbildung weiter auf die Strukturgruppe Spin(𝑟,𝑠) reduzieren.

Definition 3.4.1 Sei 𝜌:Spin(𝑟,𝑠)SO(𝑟,𝑠) der Lie-Gruppen Homomorphismus aus Definition 3.3.3. Eine Spin-Struktur von (𝑀,𝑔) ist ein Spin(𝑟,𝑠)-HFB 𝑃 über 𝑀 zusammen mit einer glatten Abbildung 𝐹:𝑃SO(𝑀,𝑔), sodass 𝐹

  1. fasertreu und

  2. 𝐹 𝜌-äquivariant ist, d. h. für alle 𝑝𝑃,𝑢Spin(𝑟,𝑠) gilt

    𝐹(𝑝𝑢)=𝐹(𝑝)𝜌(𝑢).

Mit anderen Worten: Eine Spin-Struktur von (𝑀,𝑔) ist eine 𝜌-Reduktion (𝑃,𝐹) von SO(𝑀,𝑔).

Während eine Reduktion der Strukturgruppe des Tangentialbündels von GL(𝑟+𝑠,) auf 𝑂(𝑟,𝑠) immer existiert, ist die Existenz einer Reduktion von 𝑂(𝑟,𝑠) auf SO(𝑟,𝑠) (Orientierbarkeit) im Allgemeinen nicht garantiert und bildet eine topologische Invariante. Genauso ist die Existenz einer Spin-Struktur nicht garantiert und eine topologische Invariante.

Insbesondere besitzt jede Mannigfaltigkeit mit trivialem Tangentialbündel (zum Beispiel jede Lie-Gruppe und jede zusammenziehbare Mannigfaltigkeit) eine Spin-Struktur. Dies ist zum Beispiel für den Minkowskiraum in der Physik relevant. Setzen wir nun die Existenz einer Spin-Struktur voraus, können wir das Spinorbündel und Schnitte darin definieren.

Definition 3.4.2 Sei (𝑃,𝐹) eine Spin-Struktur von (𝑀,𝑔) und Δ𝑛 der Raum der komplexen 𝑛-Spinoren. Sei außerdem 𝜅:Spin(𝑟,𝑠)GL(Δ𝑛) die Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠). Das Bündel

𝑆𝑃×𝜅Δ𝑛.

heißt Spinorbündel zur Spin-Struktur (𝑃,𝐹). Schnitte 𝜑Γ(𝑆) nennen wir Spinorfelder.

Um nun den Dirac-Operator definieren zu können, benötigen wir einen Zusammenhang im Spinorbündel. Dazu fixieren wir den Levi-Civita-Zusammenhang LC zu 𝑔 auf 𝑇𝑀, welcher einer Zusammenhangsform 𝐴 auf dem Basenbündel GL(𝑀) mit LC=𝐴 entspricht.

Bemerkung 3.4.3 Weil der Levi-Civita-Zusammenhang ein metrischer Zusammenhang ist (und somit 𝑔-Orthonormalbasen unter Parallelverschiebung 𝑔-Orthonormalbasen bleiben), schränkt sich 𝐴 zu einer Zusammenhangsform auf SO(𝑀,𝑔) ein.

Definition 3.4.4 Sei (𝑃,𝐹) eine Spin-Struktur von (𝑀,𝑔) und 𝐴 die zum Levi-Civita-Zusammenhang auf 𝑇𝑀 gehörige Zusammenhangsform auf SO(𝑀,𝑔).

  1. Wir definieren die folgende Zusammenhangsform auf 𝑃:

    𝐴𝑃(𝑑𝜌1)1𝐹𝐴Ω1(𝑃,𝔰𝔭𝔦𝔫(𝑟,𝑠))

    Dabei ist 𝜌:Spin(𝑟,𝑠)SO(𝑟,𝑠) die Darstellung aus Definition 3.3.3 und 𝔰𝔭𝔦𝔫(𝑟,𝑠) die Lie-Algebra von Spin(𝑟,𝑠).

  2. Den induzierten Zusammenhang 𝐴𝑃 auf 𝑆 nennen wir Spinorableitung und schreiben

    𝑆𝐴𝑃.

An verschiedenen Stellen werden wir die wie folgt definierte Bündelmetrik auf 𝑆 benötigen.

Definition 3.4.5 Sei (𝑃,𝐹) eine Spin-Struktur von (𝑀,𝑔). Da die Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠) unitär ist (siehe [Sch25]), wird auf dem Spinorbündel 𝑆 eine hermitesche Bündelmetrik durch

[(𝑝,𝑤1)],[(𝑝,𝑤2)]𝑤1,𝑤2

für alle 𝑝𝑃,𝑤1,𝑤2Δ𝑛 induziert.

Lemma 3.4.6 Sei (𝑃,𝐹) eine Spin-Struktur von (𝑀,𝑔). Da die Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠) unitär ist, ist 𝑆 metrisch bezüglich der hermiteschen Bündelmetrik , auf dem Spinorbündel 𝑆, d. h. es gilt

𝑋(𝜑,𝜓)=𝑋𝑆𝜑,𝜓+𝜑,𝑋𝑆𝜓𝜑,𝜓Γ(𝑆),𝑋Γ(𝑇𝑀).

Beweis: Sei 𝑠:𝑈𝑃 ein lokaler Schnitt in 𝑃 und schreibe über 𝑈

𝜑=[(𝑠,𝑤1)],𝜓=[(𝑠,𝑤2)].

Dann gilt mittels Lemma 2.6.4 und der Definition der Bündelmetrik auf dem Spinorbündel

𝑋𝑆𝜑,𝜓𝑋(𝑤1)+𝜅(𝐴𝑃(𝑑𝑠(𝑋)))𝑤1,𝑤2,𝜑,𝑋𝑆𝜓𝑤1,𝑋(𝑤2)+𝜅(𝐴𝑃(𝑑𝑠(𝑋)))𝑤2.

Da die Spin-Darstellung 𝜅:Spin(𝑟,𝑠)𝑈(Δ𝑛) unitär ist, liegt 𝜅(𝐴𝑃(𝑑𝑠(𝑋))) in den schiefhermiteschen Endomorphismen von Δ𝑛 und für die Summe der Ausdrücke gilt

𝑋𝑆𝜑,𝜓+𝜑,𝑋𝑆𝜓=𝑋(𝑤1),𝑤2+𝑤1,𝑋(𝑤2)=𝑋(𝑤1,𝑤2)𝑋(𝜑,𝜓).

Der Dirac-Operator, den wir nun einführen möchten, soll als Differentialoperator erster Ordnung auf den Spinorfeldern operieren. Für einen Spinorfeld 𝜑Γ(𝑆) ist 𝑆𝜑 jedoch nicht wieder ein Spinorfeld. In physikalischer Sprache würde gesagt werden, dass 𝜕𝜇𝜑 „einen Index trägt“ und mit den sogenannten Gamma-Matrizen „kontrahiert“ werden muss, damit ein Lorentzskalar entsteht. In diesem Sinne führen wir nun die sogenannte Clifford-Multiplikation ein.

Definition 3.4.7 Sei 𝑛=𝑟+𝑠 sowie 𝜅𝑟,𝑠:Cl𝑟,𝑠End(Δ𝑛) die Spin-Darstellung von Cl𝑟,𝑠 aus Definition 3.3.20. Die folgende Abbildung heißt Clifford-Multiplikation:

𝜇𝑟,𝑠:𝑛Δ𝑛𝑣𝑤𝑣𝑤𝜅𝑟,𝑠(𝑣)𝑤Δ𝑛.

Bemerkung 3.4.8 Die Auswertungsabbildung

End(Δ𝑛)Δ𝑛Δ𝑛

ist bilinear und somit glatt. Außerdem ist die Spin-Darstellung von Cl𝑟,𝑠 glatt als lineare Abbildung zwischen endlich-dimensionalen Vektorräumen und somit ist 𝜇𝑟,𝑠:𝑛Δ𝑛Δ𝑛 glatt als Verknüpfung glatter Abbildungen.

Lemma 3.4.9 Sei 𝜅:Spin(𝑟,𝑠)GL(Δ𝑛) die Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠) und 𝜌:Spin(𝑟,𝑠)SO(𝑟,𝑠) die Darstellung aus Definition 3.3.3. Die Clifford-Multiplikation ist auf die folgende Weise 𝜅-äquivariant:

𝑥𝑛,𝑤Δ𝑛,𝑢Spin(𝑟,𝑠):𝑣𝑤𝜇𝑟,𝑠(𝑣𝑤)=𝜅(𝑢)1(𝜌(𝑢)𝑣𝜅(𝑢)𝑤).

Beweis: Sei 𝜅𝑟,𝑠:Cl𝑟,𝑠End(Δ𝑛) wie in Definition 3.3.20. Für 𝑢Spin(𝑟,𝑠) gilt: 𝜌(𝑢)𝑣=𝑢𝑣𝑢1. Somit gilt:

(𝜌(𝑢)𝑣)(𝜅(𝑢)𝑤)=𝜅𝑟,𝑠(𝑢𝑣𝑢1)(𝜅𝑟,𝑠(𝑢)𝑤)=𝜅𝑟,𝑠(𝑢𝑣𝑢1𝑢)𝑤=𝜅𝑟,𝑠(𝑢)(𝜅(𝑣)𝑤)=𝜅(𝑢)(𝑣𝑤).

Durch Multiplikation mit 𝜅(𝑢)1 entsteht die zu zeigende Aussage.

Vermöge dem vorherigen Lemma möchten wir nun die Clifford-Multiplikation als einen Bündelhomomorphismus der Form 𝜇:𝑇𝑀𝑆𝑆 auffassen.

Definition 3.4.10 Sei 𝑆 das Spinorbündel zu einer Spin-Struktur (𝑃,𝐹) von (𝑀,𝑔), 𝜌:Spin(𝑟,𝑠)SO(𝑟,𝑠) die Darstellung aus Definition 3.3.3 und 𝜇𝑟,𝑠:𝑛Δ𝑛Δ𝑛 die Cliffod-Multiplikation wie in Definition 3.4.7. Wir fassen 𝑇𝑀𝑆 mittels Lemma 2.3.5 wie folgt auf:

𝑇𝑀𝑆(𝑃×𝜌𝑛)(𝑃×𝜅Δ𝑛).

Definiere eine Abbildung 𝜇:𝑇𝑀𝑆𝑆 durch

𝜇([(𝑝,𝑣)][(𝑝,𝑤)])[(𝑝,𝜇𝑟,𝑠(𝑣𝑤))]=[(𝑝,𝑣𝑤)]𝑝𝑃,𝑣𝑛,𝑤Δ𝑛.

Wir geben auch dieser Abbildung den Namen Clifford-Multiplikation und den Buchstaben 𝜇.

Proposition 3.4.11 Die so definierte Abbildung 𝜇:𝑇𝑀𝑆𝑆 ist ein wohldefinierter Vektorbündelhomomorphismus von -Vektorbündeln.

Beweis: Die Wohldefiniertheit folgt aus Lemma 3.4.9. Außerdem ist 𝜇 nach Definition fasertreu und linear auf jeder Faser. Die Abbildung wird induziert von der gemäß Bemerkung 3.4.8 glatten Abbildung

(id,𝜇𝑟,𝑠):𝑃×(𝑟+𝑠Δ𝑛)𝑃×Δ𝑛

und ist somit glatt.

Für die Clifford-Multiplikation 𝜇:𝑇𝑀𝑆𝑆 gilt folgende Relation, welche wir benötigen, um in Kapitel 4 das Differential der Seiberg-Witten-Abbildung zu berechnen.

Lemma 3.4.12 Seien 𝜑,𝜓Γ(𝑆) zwei Schnitte im Spinorbündel zu einer Spin-Struktur von (𝑀,𝑔), 𝑋,𝑌Γ(𝑇𝑀) zwei Vektorfelder auf 𝑀 und , die Bündelmetrik auf 𝑆 wie in Definition 3.4.5. Dann gilt

𝑋𝑌𝜑+𝑌𝑋𝜑=2𝑔(𝑋,𝑌)𝜑.

Wenn die Signatur der Metrik auf 𝑀 Riemannsch ist, dann ist die Clifford-Multiplikation zusätzlich schiefhermitesch, d. h. es gilt

𝑋𝜑,𝜓=𝜑,𝑋𝜓.

Beweis: Siehe Lemma 9.10 und Lemma 9.7 in [Sch25].

Nun nutzen wir die Clifford-Multiplikation und die Spinorableitung, um den Dirac-Operator einzuführen, welcher sowohl in der Physik als auch in den Seiberg-Witten-Gleichungen eine wichtige Rolle spielt.

Definition 3.4.13 Sei 𝑆 das Spinorbündel zu einer Spin-Struktur von (𝑀,𝑔), 𝑆 die Spinorableitung wie in Definition 3.4.4 und 𝜑Γ(𝑆) ein Spinorfeld. Dann definieren wir

𝜕𝜑𝑖=1𝑟+𝑠𝐸𝑖𝐸𝑖𝑆𝜑.

Dabei ist (𝐸1,,𝐸𝑟+𝑠) eine 𝑔-ONB von 𝑇𝑀 am Auswertungspunkt.

Dies ist die Definition über eine 𝑔-ONB am Auswertungspunkt, wie sie in der Physik üblich ist. Wir werden nun zeigen, dass diese Definition unabhängig von der Wahl der 𝑔-ONB ist.

Definition 3.4.14 Sei 𝑆 das Spinorbündel zu einer Spin-Struktur (𝑃,𝐹) von (𝑀,𝑔), 𝑆:Γ(𝑆)Γ(𝑇𝑀𝑆) die Spinorableitung, #︎:𝑇𝑀𝑆𝑇𝑀𝑆 der durch die Metrik auf 𝑀 gegebene musikalische Isomorphismus und 𝜇:𝑇𝑀𝑆𝑆 die Clifford-Multiplikation. Der Operator

𝜕𝜇𝑆:Γ(𝑆)𝑆Γ(𝑇𝑀𝑆)#︎Γ(𝑇𝑀𝑆)𝜇Γ(𝑆)

heißt Dirac-Operator.

Proposition 3.4.15 Der Operator aus Definition 3.4.14 stimmt mit dem aus Definition 3.4.13 überein, welche insbesondere unabhängig von der Wahl der 𝑔-ONB am Auswertungspunkt ist.

Beweis: Seien die Bezeichnungen wie in Definition 3.4.13 und 𝑋Γ(𝑇𝑀) ein Vektorfeld auf 𝑀. Dann gilt

𝑋𝑆𝜑=𝑖=1𝑟+𝑠𝑔(𝑋,𝐸𝑖)𝐸𝑖𝑆𝜑𝜇((𝑆𝜑))=𝜇((𝑖=0𝑟+𝑠𝑔(,𝐸𝑖)𝐸𝑖𝑆𝜑))=𝜇(𝑖=0𝑟+𝑠𝐸𝑖𝐸𝑖𝑆𝜑)=𝑖=0𝑟+𝑠𝐸𝑖𝐸𝑖𝑆𝜑

Motiviert durch die Klein-Gordan-Gleichung aus der Physik möchten wir gerne folgern, dass die zweifache Anwendung des Dirac-Operators (das „Quadrat“) mit einem Laplace-Operator assoziiert werden kann. Dazu benötigen wir den Bündel-Laplace-Operator.

Definition 3.4.16 Sei 𝑆 das Spinorbündel zu einer Spin-Struktur von (𝑀,𝑔). Der zu der Spinorableitung 𝑆:Γ(𝑆)Γ(𝑇𝑀𝑆) gehörige Bündel-Laplace-Operator ist

Δ𝑆:Γ(𝑆)Γ(𝑆)𝜑𝑗=1𝑟+𝑠(𝐸𝑗𝑆𝐸𝑗𝑆𝜑+𝐸𝑗𝑆𝐸𝑗𝑆𝜑).

Dabei ist (𝐸1,,𝐸𝑛) ein lokales 𝑔-ONB-Feld um den Auswertungspunkt.

Für die Wohldefiniertheit dieses Operators siehe Bemerkung 13.3 in [Sch25].

Proposition 3.4.17 Für den Dirac-Operator 𝜕:Γ(𝑆)Γ(𝑆) gilt die Lichnerowicz-Formel

𝜕𝜕𝜑=Δ𝑆𝜑+14scal𝜑,𝜑Γ(𝑆).

Dabei ist scal:𝑀 die zur Metrik 𝑔 gehörende Skalarkrümmung.

Beweis: Siehe Satz 13.9 in [Sch25].

Wir möchten eine Aussage über die formale Selbstadjungiertheit des Dirac-Operators im Riemannschen Fall treffen. Für diesen Zweck definieren wir die folgende Bündelmetrik auf Λ1𝑇𝑀𝑆.

Definition 3.4.18 Sei 𝑆 das Spinorbündel zu einer Spin-Struktur von (𝑀,𝑔). Auf dem Vektorbündel Λ1𝑇𝑀𝑆 definieren wir für alle 𝜔1,𝜔2(Λ1𝑇𝑀𝑆)𝑥 und 𝑥𝑀 die Bündelmetrik

𝜔1,𝜔2𝑗=1𝑟+𝑠𝜔1(𝐸𝑗),𝜔2(𝐸𝑗).

Dabei ist (𝐸1,,𝐸𝑟+𝑠) eine 𝑔-ONB von 𝑇𝑥𝑀 und die Bündelmetrik , auf der rechten Seite die Bündelmetrik auf 𝑆 wie in Definition 3.4.5.

Mittels der so definierten Bündelmetrik können wir, im Falle einer Riemannschen Mannigfaltigkeit, die folgenden Eigenschaften festhalten.

Proposition 3.4.19 Sei die Signatur der Metrik auf 𝑀 Riemannsch. Sei außerdem 𝑆 das Spinorbündel zu einer Spin-Struktur von (𝑀,𝑔), 𝑆:Γ(𝑆)Γ(𝑇𝑀𝑆) die Spinorableitung, 𝜕:Γ(𝑆)Γ(𝑆) der Dirac-Operator und Δ𝑆 der zu 𝑆 gehörige Bündel-Laplace-Operator. Dann gilt für alle 𝜑1,𝜑2 mit kompaktem Träger

𝑀𝜕𝜑1,𝜑2dvol𝑔=𝑀𝜑1,𝜕𝜑2dvol𝑔

und

𝑀Δ𝑆𝜑1,𝜑2dvol𝑔=𝑀𝑆𝜑1,𝑆𝜑2dvol𝑔=𝑀𝜑1,Δ𝑆𝜑2dvol𝑔.

Wir sagen, dass 𝜕 und Δ𝑆 zu sich selbst formal adjungiert sind.

Beweis: Sei (𝐸1,,𝐸𝑛) ein lokales 𝑔-ONB Feld um den Auswertungspunkt mit 𝐸𝑖LC𝐸𝑗=0 für alle 1𝑖,𝑗𝑛. Dann gilt gemäß Lemma 3.4.12 und Lemma 3.4.6

𝜕𝜑1,𝜑2=𝑗=1𝑛𝐸𝑗𝐸𝑗𝑆𝜑1,𝜑2=𝑗=1𝑛𝐸𝑗𝑆𝜑1,𝐸𝑗𝜑2=𝑗=1𝑛(𝐸𝑗(𝜑1,𝐸𝑗𝜑2)𝜑1,𝐸𝑗𝑆𝐸𝑗𝜑2)=𝜑1,𝜕𝜑2𝑗=1𝑛𝐸𝑗(𝜑1,𝐸𝑗𝜑2)=𝜑1,𝜕𝜑2𝛿𝑏.

Dabei ist 𝛿𝑏=𝑗=1𝑛𝑏(𝐸𝑗) das Codifferential der 1-Form 𝑏Ω1(𝑀,), definiert durch

𝑏:𝑋𝜑1,𝑋𝜑2.

Dies zeigt Gl. (3.3). Für einen Beweis von Gl. (3.4) siehe Satz 13.6. in [Sch25].

In den Seiberg-Witten-Gleichungen tritt ein Schnitt im positiven Spinorbündel auf. Dies entspricht der Aufteilung des Spinorbündels in Spinorbündel positiver und negativer Chiralität. Diese Begriffe wollen wir nun definieren.

Lemma 3.4.20 Sei 𝑛=2𝑚=𝑟+𝑠 gerade und Spin(𝑟,𝑠) die Spin-Gruppe mit Signatur (𝑟,𝑠).

  1. Das Element 𝑒1𝑒𝑛Spin(𝑟,𝑠) liegt im Zentrum der Gruppe Spin(𝑟,𝑠).

  2. Für dieses Element gilt

    (𝑒1𝑒𝑛)2=(1)𝑠𝑚.

Beweis: Für alle 1𝑘,𝑗𝑛 gilt

𝑒𝑗𝑒1𝑒𝑛=(1)𝑛1𝑒1𝑒𝑛𝑒𝑗=𝑒1𝑒𝑛𝑒𝑗𝑒𝑘𝑒𝑗𝑒1𝑒𝑛=𝑒1𝑒𝑛𝑒𝑘𝑒𝑗.

Für das Quadrat des Elements 𝑒1𝑒𝑛 gilt dann

(𝑒1𝑒𝑛)2=𝑒1𝑒𝑛𝑒1𝑒𝑛=(1)𝑛1(1)1𝑒12𝑒𝑛2(1)𝑠=(1)𝑛(𝑛1)2(1)𝑠=(1)(2𝑚2𝑚)(1)𝑠=(1)𝑠𝑚

Definition 3.4.21 Sei 𝑛=𝑟+𝑠=2𝑚 gerade, Spin(𝑟,𝑠) die Spin-Gruppe mit Signatur (𝑟,𝑠) und 𝜅:Spin(𝑟,𝑠)GL(Δ𝑛) die Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠). Der Chiralitätsoperator ist

𝜙(𝑖)𝑠𝑚𝜅(𝑒1𝑒2𝑚):Δ𝑛Δ𝑛.

Proposition 3.4.22 Seien die Bezeichnungen wie zuvor und 𝑛=𝑟+𝑠 weiterhin gerade.

  1. Für alle 𝑢Spin(𝑟,𝑠) gilt

    𝜙𝜅(𝑢)=𝜅(𝑢)𝜙.
  2. Der Chiralitätsoperator erfüllt 𝜙2=idΔ𝑛 und hat somit nur die Eigenwerte {±1}.

Beweis: Wir benutzen Lemma 3.4.20. Für die Abbildung 𝜙𝜅(𝑢) gilt:

𝜙𝜅(𝑢)=(𝑖)𝑠𝑚𝜅(𝑒1𝑒2𝑚)𝜅(𝑢)=(𝑖)𝑠𝑚𝜅(𝑒1𝑒2𝑚𝑢)=(𝑖)𝑠𝑚𝜅(𝑢𝑒1𝑒2𝑚)=(𝑖)𝑠𝑚𝜅(𝑢)𝜅(𝑒1𝑒2𝑚)=𝜅(𝑢)𝜙.

Für das Quadrat des Chiralitätsoperators gilt:

𝜙2=(1)𝑠𝑚𝜅((𝑒1𝑒2𝑚)2)=(1)𝑠𝑚𝜅((1)𝑠𝑚)=idΔ𝑛.

Somit ergeben sich die folgenden Definitionen.

Definition 3.4.23 Sei 𝑛=𝑟+𝑠 gerade und Spin(𝑟,𝑠) die Spin-Gruppe mit Signatur (𝑟,𝑠).

  1. Die Eigenräume des Chiralitätsoperators 𝜙:Δ𝑛Δ𝑛 bezeichnen wir mit

    Δ𝑛+{𝑤Δ𝑛|𝜙(𝑤)=𝑤}undΔ𝑛{𝑤Δ𝑛|𝜙(𝑤)=𝑤}.

    Elemente von Δ𝑛+ heißen Spinoren positiver Chiralität und Elemente von Δ𝑛 heißen Spinoren negativer Chiralität.

  2. Die Einschränkung der Spin-Darstellung 𝜅:Spin(𝑟,𝑠)GL(Δ𝑛) auf diese Unterräume

    𝜅+:Spin(𝑟,𝑠)GL(Δ𝑛+)und𝜅:Spin(𝑟,𝑠)GL(Δ𝑛)

    nennen wir die positive und die negative Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠).

  3. Die Vektorbündel

    𝑆+𝑃×𝜅+Δ𝑛+und𝑆𝑃×𝜅Δ𝑛

    bezeichnen wir als positives und negatives Spinorbündel. Sie können identifiziert werden mit den Untervektorbündeln

    𝑆+{[(𝑝,𝑤)]|𝑝𝑃,𝑤Δ𝑛+}𝑆,und𝑆{[(𝑝,𝑤)]|𝑝𝑃,𝑤Δ𝑛}𝑆.

Proposition 3.4.24 Wenn die Dimension 𝑛=𝑟+𝑠 von 𝑀 gerade ist, führt der Dirac-Operator 𝜕:Γ(𝑆)Γ(𝑆) zu einer Spin-Struktur (𝑃,𝐹) von (𝑀,𝑔), definiert wie in Definition 3.4.14, die positiven und negativen Spinorbündel ineinander über. Es ergibt sich der positive

𝜕+𝜕|Γ(𝑆+):Γ(𝑆+)Γ(𝑆)

und der negative Dirac-Operator

𝜕𝜕|Γ(𝑆):Γ(𝑆)Γ(𝑆+).

Beweis: Sei 𝜑Γ(𝑆±) und 𝑠:𝑈𝑃 ein lokaler Schnitt von 𝑃. Sei außerdem 𝑤:𝑈Δ𝑛± definiert durch 𝜑|𝑈=[(𝑠,𝑤)] und 𝑋Γ(𝑇𝑀) ein Vektorfeld auf 𝑀. Dann gilt mit Lemma 2.6.4

(𝑋𝑆𝜑)|𝑈=[(𝑠,𝑋(𝑤)+𝜅(𝐴(𝑑𝑠(𝑋)))𝑤)].

Es folgt sofort 𝑋(𝑤):𝑈Δ𝑛±. Sei nun 𝔰𝔭𝔦𝔫(𝑟,𝑠) die Lie-Algebra von Spin(𝑟,𝑠), 𝑌𝔰𝔭𝔦𝔫(𝑟,𝑠), 𝛾:Spin(𝑟,𝑠) eine Kurve mit 𝛾̇(0)=𝑌 und 𝜙:Δ𝑛Δ𝑛 der Chiralitätsoperator wie in Definition 3.4.21. Dann gilt

𝜙(𝜅(𝑌)𝑤)=dd𝑡|𝑡=0𝜙(𝜅(𝛾(𝑡))𝑤)=𝛾(𝑡)Spin(𝑟,𝑠)dd𝑡|𝑡=0𝜅(𝛾(𝑡))(𝜙(𝑤))=dd𝑡|𝑡=0𝜅(𝛾(𝑡))𝑤=𝜅(𝑌)𝑤.

Insgesamt folgt 𝑋(𝑤)+𝜅(𝐴(𝑑𝑠(𝑋)))𝑤Δ𝑛± und somit 𝑋𝑆𝜑𝑆±. Für 𝑣𝑛 gilt außerdem

𝜙(𝜅(𝑣)𝑤)=𝜅(𝑣)(𝜙(𝑤)).

Und somit 𝑋𝜑𝑆. Somit gilt insgesamt

𝜕𝜑=𝑗=1𝑟+𝑠𝐸𝑗𝐸𝑗𝑆𝜑Γ(𝑆).

Dabei ist (𝐸1,,𝐸𝑟+𝑠) eine 𝑔-ONB am Auswertungspunkt.

Korollar 3.4.25 Sei 𝜑Γ(𝑆±) ein Spinorfeld mit kompaktem Träger. Aus Proposition 3.4.19 folgt für den positiven und negativen Dirac-Operator

𝑀𝜕𝜕±𝜑,𝜑dvol𝑔=𝑀𝜕±𝜑,𝜕±𝜑dvol𝑔=𝑀𝜑,𝜕𝜕±𝜑dvol𝑔.

Der positive und negative Dirac-Operator ist somit nicht formal selbstadjungiert. Außerdem folgt aus der Lichnerowicz-Formel (Proposition 3.4.17)

𝜕𝜕±𝜑=Δ𝑆𝜑+14scal𝜑.

Dabei ist Δ𝑆 der Bündel-Laplace-Operator zu der Spinorableitung 𝑆 und scal die Skalarkrümmung zu der Metrik 𝑔.

3.5. Der Fall 𝐒𝐩𝐢𝐧(𝑟,𝑠)

Sei wieder (𝑀,𝑔) eine orientierte, semi-Riemannsche Mannigfaltigkeit, (𝑟,𝑠) die Signatur von 𝑔 und Spin(𝑟,𝑠) die Spin-Gruppe mit Signatur (𝑟,𝑠).

Wir möchten nun die Gruppe Spin(𝑟,𝑠) einführen. Die Diskussionen aus dem vorherigen Abschnitt lassen sich nahezu analog auf diese Gruppe übertragen. Mit diesen hier eingeführten Begriffen können wir dann in Kapitel 4 die Seiberg-Witten-Gleichungen einführen. Zunächst erinnern wir an Lemma 2.1.3 und daran, dass

Spin(𝑟,𝑠)×𝑈(1)

mit der komponentenweisen Multiplikation eine Lie-Gruppe bildet. Wir benötigen außerdem die folgende Untergruppe.

Lemma 3.5.1 In der Lie-Gruppe Spin(𝑟,𝑠)×𝑈(1) bildet die Menge

{±(1,1)}={(1,1),(1,1)}

eine abgeschlossene Untergruppe des Zentrums.

Beweis: Die Abgeschlossenheit ergibt sich daraus, dass die Menge diskret ist. Sie liegt außerdem im Zentrum von Spin(𝑟,𝑠)×𝑈(1), da 𝑈(1) abelsch ist und {±1}Spin(𝑟,𝑠) mit allen Elementen in Spin(𝑟,𝑠) kommutiert.

Daher können wir die folgende Lie-Gruppe definieren.

Definition 3.5.2 Die 𝑆𝑝𝑖𝑛-Gruppe mit Signatur (𝑟,𝑠) ist

Spin(𝑟,𝑠)(Spin(𝑟,𝑠)×𝑈(1))/{±(1,1)}.

Elemente in dieser Gruppe notieren wir als Äquivalenzklassen in der Form

[(𝑢,𝑧)]=[(𝑢,𝑧)]Spin(𝑟,𝑠)𝑢Spin(𝑟,𝑠),𝑧𝑈(1).

Nun möchten wir die Darstellungen der Spin-Gruppe auf die Gruppe Spin(𝑟,𝑠) erweitern.

Definition 3.5.3 Sei 𝜌:Spin(𝑟,𝑠)SO(𝑟,𝑠) die Darstellung aus Definition 3.3.3 und 𝜅:Spin(𝑟,𝑠)GL(Δ𝑛) die Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠). Wie definieren die Gruppenhomomorphismen

𝜌:Spin(𝑟,𝑠)[(𝑢,𝑧)]𝜌(𝑢)SO(𝑟,𝑠),𝜅:Spin(𝑟,𝑠)[(𝑢,𝑧)]𝑧𝜅(𝑢)GL(Δ𝑛),𝑞:Spin(𝑟,𝑠)[(𝑢,𝑧)]𝑧2𝑆1.

Um diese Abbildung als Lie-Gruppen Homomorphismus auffassen zu können, benötigen wir das folgende Lemma.

Lemma 3.5.4 Sei 𝐻 eine Mannigfaltigkeit, 𝐺 eine Lie-Gruppe und 𝑁𝐺 eine abgeschlossene Untergruppe des Zentrums von 𝐺. Die Menge der Nebenklassen 𝐺/𝑁 besitzt gemäß Lemma 2.1.3 eine eindeutige glatte Struktur, sodass die Projektionsabbildung 𝜋:𝐺𝐺/𝑁 eine glatte Submersion ist. Dann gilt

𝑓:𝐺/𝑁𝐻glatt𝑓𝜋:𝐺𝐻glatt.

Beweis: Die Hinrichtung ist klar, da in diesem Fall 𝑓𝜋 glatt als Komposition glatter Abbildungen ist. Für die Rückrichtung werden wir den Fakt annehmen, dass die Projektionsabbildung 𝜋:𝐺𝐺/𝑁 „lokale Schnitte“ besitzt, d. h. um jeden Punkt [𝑎]𝐺/𝑁 existiert eine Umgebung 𝑊𝐺/𝑁 und eine glatte Abbildung 𝑠:𝑊𝐺 mit 𝜋𝑠=id𝑊. Der Beweis zu diesem Fakt kann z. B. in [Bau14], Satz 1.24 nachgelesen werden. Um alle [𝑎]𝐺/𝑁 kann 𝑓:𝐺/𝑁𝐻 demnach dargestellt werden als folgende Komposition

𝑓|𝑊=𝑓𝜋glatt𝑠.

Diese Abbildung ist glatt als Komposition glatter Abbildungen.

Korollar 3.5.5 Die Gruppenhomomorphismen 𝜌,𝜅 und 𝑞 aus Definition 3.5.3 sind gemäß dem vorherigen Lemma glatt, also Lie-Gruppen-Homomorphismen.

Analog zum Begriff einer Spin-Struktur können wir nun den Begriff einer Spin-Struktur definieren (nun bezüglich 𝜌 anstatt 𝜌).

Definition 3.5.6 Sei SO(𝑀,𝑔) das SO(𝑟,𝑠)-HFB der positiv-orientierten Orthonormalbasen von 𝑇𝑀. Eine 𝑆𝑝𝑖𝑛-Struktur von (𝑀,𝑔) ist eine 𝜌-Reduktion (𝑃,𝐹) von SO(𝑀,𝑔).

Auch in diesem Fall ist die Existenz einer solchen Reduktion nicht garantiert und bildet eine topologische Invariante. Interessanterweise besitzt jede Riemannsche, orientierbare 4-Mannigfaltigkeit eine Spin-Struktur [TV05].

Die Definition des Spinorbündels erfolgt analog zum Fall einer Spin-Struktur (nun mit 𝜅 anstatt 𝜅). Um den Dirac-Operator einer Spin-Struktur definieren zu können, benötigen wir eine Spinorableitung analog zu Definition 3.4.4, d. h. insbesondere möchten wir einen Zusammenhang auf dem Spin(𝑟,𝑠)-HFB 𝑃 definieren. Diesen konstruieren wir wie folgt.

Definition 3.5.7 Sei (𝑃,𝐹) eine Spin-Struktur von (𝑀,𝑔).

  1. Sei 𝑞:Spin(𝑟,𝑠)𝑆1 der Lie-Gruppen-Homomorphismus aus Definition 3.5.3 und 𝜆𝑞 die Linkswirkung von Spin(𝑟,𝑠) auf 𝑆1 durch 𝜆𝑞([(𝑢,𝑧)],𝑤)𝑞([(𝑢,𝑧)])𝑤=𝑧2𝑤 für alle [(𝑢,𝑧)]Spin(𝑟,𝑠),𝑤𝑆1. Dann definieren wir das folgende 𝑆1-HFB über 𝑀

    𝑃1𝑃×𝜆𝑞𝑆1.

    Dies nennen wir das Determinantenlinienbündel zu der Spin-Struktur (𝑃,𝐹).

  2. Wir definieren die Abbildung

    pr1:𝑃𝑝[(𝑝,1)]𝑃1.

Definition 3.5.8 Sei 𝐴SO der Zusammenhang auf SO(𝑀,𝑔), welcher zum Levi-Civita-Zusammenhang von (𝑀,𝑔) gehört. Sei außerdem 𝐴 eine Zusammenhangsform auf dem Determinantenlinienbündel 𝑃1, pr1:𝑃𝑃1 die Projektion wie in Definition 3.5.7 und 𝜌:Spin(𝑟,𝑠)SO(𝑟,𝑠) die Darstellung von Spin(𝑟,𝑠) wie in Definition 3.3.3.

  1. Wir definieren den folgenden Zusammenhang auf 𝑃:

    𝐴𝑃((𝑑𝜌1)1𝐹𝐴SO,12pr1𝐴)Ω1(𝑃,𝔰𝔭𝔦𝔫(𝑟,𝑠)𝑖).
  2. Den induzierten Zusammenhang 𝐴𝑃 auf dem Spinorbündel 𝑆 nennen wir wieder Spinorableitung und schreiben

    𝑆𝐴𝑃.

Wieder können wir auf dem Spinorbündel eine hermitesche Bündelmetrik definieren. Auch im Fall einer Spin-Struktur ist 𝑆 metrisch bezüglich dieser Bündelmetrik. Die Clifford-Multiplikation 𝜇𝑟,𝑠:𝑇𝑀𝑆𝑆 wird vollkommen analog zum Fall einer Spin-Struktur definiert (nun mit 𝜌,𝜅 anstatt 𝜌,𝜅) und Lemma 3.4.12 gilt analog. Wir können nun den Dirac-Operator einer Spin-Struktur definieren.

Definition 3.5.9 Sei 𝑆 das Spinorbündel zu einer Spin-Struktur von (𝑀,𝑔), 𝐴 eine Zusammenhangsform auf dem Determinantenlinienbündel, 𝑆:Γ(𝑆)Γ(𝑇𝑀𝑆) die Spinorableitung, #︎:𝑇𝑀𝑆𝑇𝑀𝑆 der durch die Metrik auf 𝑀 gegebene musikalische Isomorphismus und 𝜇:𝑇𝑀𝑆𝑆 die Clifford-Multiplikation. Dann definieren wir

𝜕𝐴𝜇𝑆:Γ(𝑆)𝑆Γ(𝑇𝑀𝑆)#︎Γ(𝑇𝑀𝑆)𝜇Γ(𝑆).

Die Darstellung über eine 𝑔-ONB am Auswertungspunkt (Definition 3.4.13) gilt analog. Außerdem kann das „Quadrat“ dieses Operators wieder mit dem Bündel-Laplace-Operator Δ𝑆:Γ(𝑆)Γ(𝑆) des Spinorbündels in Beziehung gesetzt werden. Dabei erhalten wir im Fall einer Spin-Struktur folgenden zusätzlichen Krümmungsterm.

Proposition 3.5.10 Für den Dirac-Operator 𝜕𝐴:Γ(𝑆)Γ(𝑆) einer Spin-Struktur gilt die Lichnerowicz-Formel:

𝜕𝐴𝜕𝐴𝜑=Δ𝑆𝜑+14scal𝜑+12Ω𝐴𝜑𝜑Γ(𝑆).

Dabei ist scal:𝑀 die zur Metrik 𝑔 gehörende Skalarkrümmung und Δ𝑆:Γ(𝑆)Γ(𝑆) der Bündel-Laplace-Operator zu 𝑆, definiert analog zu Definition 3.4.16.

Beweis: Siehe Satz 13.9. in [Sch25].

Bemerkung 3.5.11 Der Dirac-Operator einer Spin-Struktur ist formal selbstadjungiert und für den Bündel-Laplace-Operator 𝑆 und die Spinorableitung 𝑆 gilt

𝑀Δ𝑆𝜑1,𝜑2dvol𝑔=𝑀𝑆𝜑1,𝑆𝜑2dvol𝑔=𝑀𝜑1,Δ𝑆𝜑2dvol𝑔

für alle Spinorfelder 𝜑1,𝜑2Γ(𝑆) mit kompaktem Träger.

Lemma 3.5.12 Sei 𝐴 eine Zusammenhangsform auf dem Determinantenlinienbündel 𝑃1 sowie 𝜋:𝑃1𝑀 die Projektion in 𝑃1 und 𝑎Ω1(𝑀,𝑖). Dann ist 𝐴+𝜋𝑎 eine Zusammenhangsform auf 𝑃1 und es gilt

𝑋(𝐴+𝜋𝑎)𝑃𝜑=𝑋𝐴𝑃𝜑+12𝑎(𝑋)𝜑𝜑Γ(𝑆),𝑋Γ(𝑇𝑀).

Beweis: Sei 𝑠:𝑈𝑃 ein lokaler Schnitt in 𝑃 und 𝑤:𝑈Δ𝑛 definiert durch 𝜑|𝑈=[(𝑠,𝑤)]. Dann gilt gemäß Lemma 2.6.4 über 𝑈

𝑋(𝐴+𝜋𝑎)𝑃𝜑=𝑋𝐴𝑃𝜑+[(𝑠,12(𝜅(0,pr1𝜋𝑎)(𝑑𝑠(𝑋)))𝑤)]=𝑋𝐴𝑃𝜑+[(𝑠,12(𝜅(0,𝑎(𝑑𝜋𝑑pr1𝑑𝑠(𝑋))))𝑤)]=𝑋𝐴𝑃𝜑+[(𝑠,12(𝜅(0,𝑎(𝑋)))𝑤)]=𝑋𝐴𝑃𝜑+[(𝑠,12𝑎(𝑋)𝑤)]=𝑋𝐴𝑃𝜑+12𝑎(𝑋)𝜑

Somit gilt dies auf ganz 𝑀.

Korollar 3.5.13 Sei 𝑎Ω1(𝑀,𝑖) und 𝜋:𝑃𝑃1 die Projektion wie in Definition 3.5.7. Dann ist 𝐴+𝜋𝑎 wieder eine Zusammenhangsform auf 𝑃1 und es gilt mittels Lemma 3.5.12

𝜕𝐴+𝜋𝑎𝜑=𝜕𝐴𝜑+12𝑎𝜑.

Wie die Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠) ist auch die Spin-Darstellung von Spin(𝑟,𝑠) nicht irreduzibel und zerfällt in eine positiv- und negativ-chirale Spin-Darstellung, wodurch wir das positive und negative Spinorbündel definieren können.

Definition 3.5.14 Seien Δ𝑛+,Δ𝑛 die Räume der positiven bzw. negativen Spinoren wie in Definition 3.4.23. Die Einschränkungen 𝜅± auf Δ𝑛± nennen wir positive und negative Spin-Darstellungen. Die Vektorbündel

𝑆+𝑃×𝜅+Δ𝑛+und𝑆𝑃×𝜅Δ𝑛

heißen positive und negative Spinorbündel.

Definition 3.5.15 Auch im Fall einer Spin-Struktur schränkt sich der Dirac-Operator auf das positive und negative Spinorbündel ein und der positive und negative Dirac-Operator

𝜕𝐴±𝜕𝐴|Γ(𝑆±):Γ(𝑆±)Γ(𝑆)

ist wohldefiniert.

Beweis: Analog zu dem zu Proposition 3.4.24, nun mit Spin(𝑟,𝑠) anstatt Spin(𝑟,𝑠).

Die positiven und negativen Dirac-Operatoren sind wie in Korollar 3.4.25 zueinander formal adjungiert und Korollar 3.4.25 gilt analog im Fall einer Spin-Struktur, nun mit Proposition 3.5.10 anstatt Proposition 3.4.17.

4. Der Index der Seiberg-Witten-Abbildung

Mit Hilfe der Grundbegriffe aus Kapitel 2 und Kapitel 3 werden wir nun die perturbierten Seiberg-Witten-Gleichungen einer Riemannschen 4-Mannigfaltigkeit formulieren. Für den Fall einer einfach zusammenhängenden, kompakten Mannigfaltigkeit 𝑀 mit 𝑏+(𝑀)>0 werden wir der Menge der Lösungen dieser Gleichungen bis auf Eichtransformation eine Struktur als glatte Mannigfaltigkeit geben und die Dimension dieser Mannigfaltigkeit in Abhängigkeit von topologischen Invarianten von 𝑀 berechnen.

4.1. Lineare Differentialoperatoren und das Hauptsymbol

Seien 𝑀 eine Mannigfaltigkeit, 𝕂{,} und (𝐸,𝜋𝐸,𝑀;𝕂𝑝),(𝐹,𝜋𝐹,𝑀;𝕂𝑞) reelle oder komplexe Vektorbündel über 𝑀.

In diesem Abschnitt stellen wir den grundlegenden Begriff eines linearen Differentialoperators zwischen Schnitten in Vektorbündeln vor. Wenn 𝑃 ein solcher Differentialoperator ist, definieren wir den zu 𝑃 adjungierten Operator und das Hauptsymbol von 𝑃.

Definition 4.1.1 Ein linearer Differentialoperator 𝑚-ter Ordnung auf 𝑀 ist eine lineare Abbildung 𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹), sodass für alle 𝑥0𝑀 eine Umgebung 𝑈𝑀 um 𝑥0, eine Karte 𝑦:𝑈𝑈 von 𝑀 sowie Vektorbündelkarten 𝜑𝐸:𝜋𝐸1(𝑈)𝑈×𝕂𝑝,𝜑𝐹:𝜋𝐹1(𝑈)𝑈×𝕂𝑞 von 𝐸,𝐹 existieren, sodass 𝑃 über 𝑈 in der Form

𝑃=|𝛼|𝑚𝐴𝛼(𝑥)𝜕|𝛼|𝜕𝑦𝛼: 𝐶(𝑈,𝕂𝑝)𝐶(𝑈,𝕂𝑞)

mit glatten Funktionen 𝐴𝛼:𝑈Mat(𝑞,𝑝,𝕂) geschrieben werden kann, sodass ein 𝛼 mit |𝛼|=𝑚 und 𝐴𝛼0 existiert. Dabei ist 𝛼=(𝛼1,,𝛼𝑛) ein 𝑛-Tupel nicht-negativer ganzer Zahlen, |𝛼|𝛼1++𝛼𝑛 und 𝜕|𝛼|/𝜕𝑦𝛼=𝜕|𝛼|/𝜕𝑦1𝛼1𝑦𝑛𝛼𝑛. Wenn der Kontext klar ist, bezeichnen wir 𝑃 auch nur als lineareren Differentialoperator auf 𝑀.

Definition 4.1.2 Sei 𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹) ein linearer Differentialoperator 𝑚-ter Ordnung auf 𝑀. Seien außerdem auf 𝐸,𝐹 jeweils Bündelmetriken ,𝐸,,𝐹 sowie auf 𝑀 eine Riemannsche Metrik 𝑔 und eine Orientierung gegeben. Dann existiert genau ein linearer Differentialoperator 𝑚-ter Ordnung 𝑃:Γ(𝐹)Γ(𝐸), welchen wir den formal adjungierten Operator zu 𝑃 nennen, mit

𝑀𝑃𝜑,𝜓𝐹dvol𝑔=𝑀𝜑,𝑃𝜓𝐸dvol𝑔

für alle 𝜑Γ(𝐸),𝜓Γ(𝐹) mit kompaktem Träger.

Beweis: Für einen Beweis der Existenz von 𝑃 siehe [Tay23]. Wenn nun 𝑃 noch ein linearer Differentialoperator 𝑚-ter Ordnung ist, der Gl. (4.1) erfüllt, dann folgt

0=𝑀𝜑,(𝑃𝑃)𝜓dvol𝑔

für alle 𝜑Γ(𝐸),𝜓Γ(𝐹) mit kompaktem Träger. Wählt man 𝜑=(𝑃𝑃)𝜓, folgt

𝑃𝑃=0.

Beispiel 4.1.3 Der positive bzw. negative Dirac-Operator aus Kapitel 3 ist ein linearer Differentialoperator erster Ordnung (siehe z. B. [LM89]) und die beiden Operatoren sind gemäß Korollar 3.4.25 jeweils zueinander formal adjungiert.

Definition 4.1.4 Sei 𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹) ein linearer Differentialoperator 𝑚-ter Ordnung über 𝑀.

  1. Das Hauptsymbol 𝜎(𝑃) von 𝑃 ordnet jedem 𝜉𝑇𝑀 mit 𝜉0 die lineare Abbildung

    𝜎(𝑃):𝐸𝑥𝑒1𝑚!(𝑃(𝑓𝑚𝑒̂))(𝑥)𝐹𝑥

    zu. Dabei ist 𝑥 der Fußpunkt von 𝜉, 𝑓𝐶(𝑀,) eine reellwertige Funktion mit 𝑓(𝑥)=0 und 𝑑𝑓𝑥=𝜉 sowie 𝑒̂Γ(𝐸) eine Fortsetzung von 𝑒 mit 𝑒̂(𝑥)=𝑒.

  2. Der Differentialoperator 𝑃 heißt elliptisch, wenn 𝜎(𝑃)(𝜉) für alle 𝜉𝑇𝑥𝑀 mit 𝜉0 und 𝑥𝑀 invertierbar ist.

Beispiel 4.1.5 Die positiven bzw. negativen Dirac-Operatoren in der Situation aus Definition 3.5.15 sind elliptisch, und ihr Hauptsymbol ist die Clifford-Multiplikation (siehe z. B. [LM89]).

Bemerkung 4.1.6 Seien 𝐸,𝐹 reelle oder komplexe Vektorbündel über 𝑀 und 𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹) ein linearer Differentialoperator. Das Hauptsymbol von 𝑃 hängt nur von Termen der höchsten Ordnung ab, d. h. wenn 𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹) ein linearer Differentialoperator kleinerer Ordnung als 𝑚 ist, dann gilt für das Hauptsymbol 𝜎(𝑃+𝑃)=𝜎(𝑃).

Beweis: Siehe [LM89].

4.2. Elliptische Komplexe und Selbstdualität

Definition 4.2.1 Sei 𝑀 eine Mannigfaltigkeit und 𝕂{,}. Ein elliptischer Komplex über 𝑀 ist eine Sequenz

0Γ(𝐸0)𝑑0Γ(𝐸𝑛1)𝑑𝑛1Γ(𝐸𝑛)0

von Schnitten in 𝕂-Vektorbündeln (𝐸𝑖) über 𝑀 und zugehörigen linearen Differentialoperatoren 𝑑𝑖:Γ(𝐸𝑖)Γ(𝐸𝑖+1), sodass 𝑑𝑖+1𝑑𝑖=0 gilt und mit der Eigenschaft, dass für alle 𝑥𝑀,𝜉𝑇𝑥𝑀\{0} die zugehörige Sequenz von Hauptsymbolen

0(𝐸0)𝑥𝜎(𝑑0)(𝜉)(𝐸𝑛1)𝑥𝜎(𝑑𝑛1)(𝜉)(𝐸𝑛)𝑥0

exakt ist.

Theorem 4.2.2 Sei ein elliptischer Komplex 𝐸 über einer kompakten, orientierten Mannigfaltigkeit 𝑀 gegeben. Seien auf den dazugehörigen Vektorbündeln 𝐸0,,𝐸𝑛 jeweils Bündelmetriken und auf 𝑀 eine Riemannsche Metrik gegeben, sodass für 0𝑖<𝑛 die formalen Adjungierten 𝑑𝑖 zu den linearen Differentialoperatoren 𝑑𝑖:Γ(𝐸𝑖)Γ(𝐸𝑖+1) des Komplexes definiert werden können. Wir definieren die Operatoren

𝑖𝑑𝑖𝑑𝑖+𝑑𝑖1𝑑𝑖1:Γ(𝐸𝑖)Γ(𝐸𝑖)1𝑖<𝑛und0𝑑0𝑑0,𝑛𝑑𝑛1𝑑𝑛1.

Dann gelten die orthogonalen Aufspaltungen

Γ(𝐸𝑖)=ker(Δ𝑖)im(𝑑𝑖1)im(𝑑𝑖)=ker(Δ𝑖)im(Δ𝑖)0𝑖𝑛.

Außerdem ist die Einbettung 𝜑:ker(Δ𝑖)𝐻𝑖(𝐸) in die 𝑖-te Homologiegruppe

𝐻𝑖(𝐸)ker(𝑑𝑖)/im(𝑑𝑖1)0<𝑖𝑛und𝐻0(𝐸)ker(𝑑0),𝐻𝑛(𝐸)Γ(𝐸𝑛)/im(𝑑𝑛1)

des Komplexes ein Vektorraumisomorphismus, d. h. insbesondere gilt

𝐻𝑖(𝐸)ker(Δ𝑖)0𝑖𝑛

und jede Homologiegruppe 𝐻𝑖(𝐸) besitzt einen eindeutigen Repräsentanten, welcher im Kern von Δ𝑖 liegt.

Beweis: Siehe Theorem 5.2 von Kapitel 4 in [Wel80] oder [Dan14].

Ein besonderes Beispiel für einen elliptischen Komplex ist der zu einer 𝑛-dimensionalen Mannigfaltigkeit 𝑀 gehörende de-Rham-Komplex:

0Ω0(𝑀)𝑑0Ω1(𝑀)𝑑1𝑑𝑛2Ω𝑛1(𝑚)𝑑𝑛1Ω𝑛(𝑀)0.

Die Homologiegruppen dieses elliptischen Komplexes sind die de-Rham-Gruppen 𝐻dR𝑘(𝑀). Durch eine Metrik auf einer orientierten Mannigfaltigkeit 𝑀 können wir außerdem das Codifferential 𝛿𝑘:Ω𝑘(𝑀)Ω𝑘1(𝑀) als den formal zu 𝑑𝑘1 adjungierten Operator und den Hodge-Laplace-Operator

𝑘=𝑑𝑘1𝛿𝑘+𝛿𝑘+1𝑑𝑘1𝑘<𝑛undΔ0𝛿1𝑑0,Δ𝑛𝑑𝑛1𝛿𝑛

definieren. Der Fakt, dass 𝑑𝑘1 und 𝛿𝑘 formal zueinander adjungiert sind, liefert außerdem

Δ𝑘𝜔,𝜔=𝛿𝑘𝜔,𝛿𝑘𝜔+𝑑𝑘𝜔,𝑑𝑘𝜔01𝑘<𝑛

und somit gilt

Δ𝑘𝜔=0𝛿𝑘𝜔=0und𝑑𝑘𝜔=0.

Die Gleichungen auf der rechten Seite können als statische Maxwell’sche Gleichungen im Vakuumfall interpretiert werden.

Definition 4.2.3 Sei (𝑀,𝑔) eine semi-Riemannsche Mannigfaltigkeit und Δ𝑘:Ω𝑘(𝑀)Ω𝑘(𝑀) der durch die Metrik induzierte Hodge-Laplace-Operator. Elemente im Kern von Δ𝑘

ℋ︀𝑘(𝑀)ker(Δ𝑘)

bezeichnen wir als harmonische Formen.

Gemäß dem Hodge-Theorem (Theorem 4.2.2) gilt auf einer kompakten, Riemannschen Mannigfaltigkeit

𝐻dR𝑘(𝑀)ℋ︀𝑘(𝑀)und somit𝑏𝑘dim𝐻dR𝑘=dimℋ︀𝑘(𝑀).

Die Zahlen 𝑏𝑘 nennen wir Betti-Zahlen von 𝑀. Der de-Rham-Komplex einer orientierten Riemannschen-Mannigfaltigkeit zeichnet sich des Weiteren durch die Existenz des Hodge-Stern-Operators :Ω𝑘(𝑀)Ω𝑛𝑘(𝑀) aus. Einer Differentialform 𝜔Ω𝑘(𝑀) kann so eine „duale“ Differentialform 𝜔Ω𝑛𝑘(𝑀) zugeordnet werden, die diese zur Riemannschen Volumenform dvol𝑔 ergänzt. Auf einer Riemannschen Mannigfaltigkeit gilt dann 𝛼𝜔=𝛼,𝜔dvol𝑔 für alle 𝛼,𝜔Ω𝑘(𝑀). Die Bündelmetrik , auf Λ𝑘𝑇𝑀 ist dabei bezüglich einer 𝑔-ONB (𝐸1,,𝐸𝑛) am Auswertungspunkt gegeben durch

𝛼,𝜔1𝑗1<<𝑗𝑘𝑛𝛼(𝐸𝑗1,,𝐸𝑗𝑘)𝜔(𝐸𝑗1,,𝐸𝑗𝑘).

Der Hodge-Stern-Operator definiert somit eine lineare Abbildung :Ω𝑘(𝑀)Ω𝑛𝑘(𝑀) und auf einer Riemannschen Mannigfaltigkeit gilt

2=(1)𝑘(𝑛𝑘):Ω𝑘(𝑀)Ω𝑘(𝑀).

Definition 4.2.4 Die durch die Metrik 𝑔 auf 𝑀 induzierte Bündelmetrik , auf Λ𝑘𝑇𝑀 induziert ein Skalarprodukt auf Ω𝑘(𝑀) durch

𝛼,𝜔𝑀𝛼,𝜔dvol𝑔𝛼,𝜔Ω𝑘(𝑀).

Für dieses Skalarprodukt gilt dann für alle 𝛼Ω𝑘1(𝑀),𝜔Ω𝑘(𝑀)

𝑑𝑘1𝛼,𝜔𝑀𝑑𝑘1𝛼,𝜔dvol𝑔=𝑀𝑑𝑘1𝛼𝜔=𝑀𝑑𝑛1(𝛼𝜔)(1)𝑘1𝑀𝛼𝑑𝑛𝑘𝜔=(1)𝑘1+(𝑛𝑘+1)(𝑛𝑛+𝑘1)𝑀𝛼𝑑𝑛𝑘𝜔=𝛼,(1)𝑛(𝑘1)1𝑑𝑛𝑘𝜔.

Somit ist das Codifferential gegeben durch 𝛿𝑘=(1)𝑛(𝑘1)1𝑑𝑛𝑘:Ω𝑘(𝑀)Ω𝑘1(𝑀).

Korollar 4.2.5 Sei (𝑀,𝑔) eine Riemannsche Mannigfaltigkeit. Dann überführt der Hodge-Stern-Operator :Ω𝑘(𝑀)Ω𝑛𝑘(𝑀) gemäß Gl. (4.3) harmonische Formen in harmonische Formen. Daher gilt

ℋ︀𝑘(𝑀)ℋ︀𝑛𝑘(𝑀)und somit𝑏𝑘=𝑏𝑛𝑘

für die 𝑘-te und (𝑛𝑘)-te Betti-Zahl von 𝑀.

Außerdem wird durch den Hodge-Stern-Operator auf einer Riemannschen 4-Mannigfaltigkeit eine Aufspaltung der (harmonischen) 2-Formen induziert.

Definition 4.2.6 Sei (𝑀,𝑔) eine Riemannsche 4-Mannigfaltigkeit. Dann definiert der Hodge-Stern-Operator auf den 2-Formen einen Endomorphismus :Ω2(𝑀)Ω2(𝑀) mit der Eigenschaft 2=id. Die dazugehörigen Eigenräume bezeichnen wir mit

Ω+2(𝑀)undΩ2(𝑀).

Den Schnitt dieser Unterräume mit den harmonischen 2-Formen bezeichnen wir mit

ℋ︀+2(𝑀)Ω+2(𝑀)ℋ︀2(𝑀)undℋ︀2(𝑀)Ω2(𝑀)ℋ︀2(𝑀).

Die zugehörigen positiven und negativen Betti-Zahlen sind

𝑏+(𝑀)dimℋ︀+2(𝑀)und𝑏(𝑀)dimℋ︀2(𝑀).

Die Signatur von 𝑀 ist

𝜎(𝑀)𝑏+(𝑀)𝑏(𝑀).

Eine weitere interessante Anwendung des Hodge-Theorems ist die Existenz von Lösungen der Poisson-Gleichung.

Lemma 4.2.7 Für die Poisson-Gleichung

0𝑓=

existiert genau dann eine Lösung 𝑓Ω0(𝑀) für ein festes Ω0(𝑀), wenn co-exakt ist, d. h. wenn eine 1-Form 𝛼Ω1(𝑀) mit =𝛿𝛼 existiert.

Beweis: Sei zuerst 𝛼Ω1(𝑀) eine 1-Form mit =𝛿𝛼. Dann gilt

1,=𝑀1=𝑀𝛿𝛼=𝑀𝑑𝛼=0.

Somit liegt im orthogonalen Komplement der konstanten Funktionen auf 𝑀, welche gemäß Gl. (4.3) genau der Kern von Δ0 sind. Aus dem Hodge-Theorem folgt, dass das orthogonale Komplement von ker(Δ0) genau das Bild von Δ0 ist. Ist andersherum 𝑓Ω0(𝑀) eine Lösung zu Gl. (4.4), so gilt =𝛿(𝑑𝑓) und damit ist 𝑑𝑓Ω1(𝑀) eine 1-Form mit der gewünschten Eigenschaft.

4.3. Die Seiberg-Witten-Gleichungen

Sei (𝑀,𝑔) eine Riemannsche 4-Mannigfaltigkeit mit einer Spin-Struktur.

Wir suchen Paare (𝐴,𝜑), bestehend aus einer Zusammenhangsform 𝐴 auf dem zur Spin-Struktur gehörigen Determinantenlinienbündel und einem Schnitt im positiven Spinorbündel 𝜑Γ(𝑆+), sodass die Seiberg-Witten-Gleichungen

𝜕𝐴+𝜑=0,Ω+𝐴(𝑋,𝑌)=14𝑋𝑌𝜑,𝜑+14𝑔(𝑋,𝑌)|𝜑|214𝜔𝜑(𝑋,𝑌)

für alle Vektorfelder 𝑋,𝑌Γ(𝑇𝑀) erfüllt sind. Dabei ist 𝜕𝐴+:𝑆+𝑆 der zu 𝐴 gehörige positive Dirac-Operator und Ω+𝐴Ω2(𝑀,𝑖) der durch die Metrik induzierte selbstduale Anteil der lokalen Krümmungsform zu 𝐴. Die 2-Form auf der rechten Seite, welche die Gleichungen nicht-linear macht, bezeichnen wir mit 𝜔𝜑Ω2(𝑀,𝑖).

Die Gleichungen gehen außerdem auf ein Variationsprinzip zurück. Offenbar sind Lösungen von Gl. (4.5) Nullstellen des Funktionals

ℱ︀(𝜑,𝐴)𝑀|𝜕𝐴+𝜑|2+|Ω+𝐴14𝜔𝜑|2dvol𝑔=𝑀(|𝜕𝐴+𝜑|2+|Ω+𝐴|212ℜ𝔢Ω+𝐴,𝜔𝜑+116|𝜔𝜑|2)dvol𝑔=Proposition 3.5.10𝑀Δ𝑆𝜑+14scal𝜑,𝜑+12Ω𝐴𝜑,𝜑dvol𝑔+𝑀|Ω+𝐴|2+121𝑗<𝑙4Ω+𝐴(𝐸𝑗,𝐸𝑙)𝐸𝑗𝐸𝑙𝜑,𝜑+116|𝜔𝜑|2dvol𝑔.

Um das Funktional weiter umzuformen brauchen wir zunächst das folgende Lemma.

Lemma 4.3.1 Sei 𝜂 der anti-selbstduale Teil einer 2-Form 𝜂Ω2(𝑀,𝑖) und 𝜑Γ(𝑆+). Dann gilt

𝜂𝜑=0und|𝜔𝜑|2=2|𝜑|4.

Beweis: Siehe [Fri97].

Somit ist das Seiberg-Witten-Funktional

ℱ︀(𝜑,𝐴)=𝑀|Ω+𝐴|2+|𝑆𝜑|2+(14scal|𝜑|2+18|𝜑|4)dvol𝑔

nicht-negativ und besitzt als Nullstellen genau die Lösungen der Seiberg-Witten-Gleichungen. Formal erinnert das Seiberg-Witten-Funktional an Energie-Funktionale aus der Eichtheorie, etwa dem Ginzburg-Landau-Funktional oder dem Yang-Mills-Higgs-Funktional [HK15], [CDO23]. Das Spinorfeld in den Seiberg-Witten-Gleichungen ist dabei das Analogon zu dem supraleitenden Kondensat der Ginzburg-Landau-Theorie bzw. dem Higgs-Feld der Yang-Mills-Higgs-Theorie. In Analogie zu diesen Theorien stellt der Term

𝑉scal(|𝜑|)=14scal|𝜑|2+18|𝜑|4,

welcher im Seiberg-Witten-Funktional auftritt, eine Obstruktion für die Existenz nicht-trivialer Lösungen zu den Seiberg-Witten-Gleichungen dar. Im Falle einer nicht strikt-positiven Skalarkrümmung besitzt die Funktion 𝑉scal(|𝜑|) lokale Minima um den Ursprung und wird somit auch als Sombrero-Potential bezeichnet:

Der Lösungsraum der Seiberg-Witten-Gleichungen hängt somit von der Metrik ab, die wir auf 𝑀 gewählt haben. Wir werden daher die perturbierten Seiberg-Witten-Gleichungen

𝜕𝐴+𝜑=0Ω+𝐴=14𝜔𝜑+𝜂

benötigen. Dabei ist 𝜂 eine vorgegebene, selbstduale 2-Form. In den nächsten Abschnitten werden wir die Menge der Lösungen dieser Gleichungen bis auf Eichtransformation betrachten, also die Menge der Lösungen von Gl. (4.6), wobei wir Lösungen, die durch eine Eichtransformation ineinander überführt werden können, miteinander identifizieren. Dies ist der Modulraum der perturbierten Seiberg-Witten-Gleichungen, zu dem wir feststellen werden, dass dieser für fast alle selbstdualen 2-Formen, mit denen wir die Gleichung perturbieren, eine endlich-dimensionale Mannigfaltigkeit bildet. Das Ziel ist es, eine Formel für die Dimension dieser Mannigfaltigkeit in Abhängigkeit von topologischen Invarianten von 𝑀 aufzustellen, indem wir die Lösungsmenge von Gl. (4.6) als Nullstellenmenge der perturbierten Seiberg-Witten-Abbildung

𝒮︀𝒲︀𝜂:(𝜑,𝐴)(𝜕𝐴+𝜑Ω+𝐴14𝜔𝜑+𝜂)

interpretieren.

4.4. Banach-Mannigfaltigkeiten und der Satz vom regulären Wert

In diesem Abschnitt möchten wir den Begriff einer Banach-Mannigfaltigkeit als unendlich-dimensionale Verallgemeinerung des Begriffs einer Mannigfaltigkeit sowie den Satz vom regulären Wert für Banach-Mannigfaltigkeiten einführen. Später werden wir den Satz vom regulären Wert auf die Seiberg-Witten-Abbildung anwenden.

Definition 4.4.1 Ein Banachraum ist ein normierter vollständiger Vektorraum über oder .

Definition 4.4.2 Sei 𝑋 ein topologischer Raum und 𝐸 ein Banachraum.

  1. Man nennt 𝑋 eine topologische Banach-Mannigfaltigkeit modeliert auf 𝐸 oder, wenn der Kontext klar ist, auch nur Banach-Mannigfaltigkeit, falls

    • 𝑋 ein Hausdorff-Raum ist und

    • um jedes 𝑥𝑋 eine offene Umgebung 𝑈 existiert und eine offene Menge 𝑈𝐵 sowie ein Homöomorphismus 𝜑:𝑈𝑈. Ein solches Tupel (𝑈,𝜙) nennen wir Karte um 𝑥𝑋.

  2. Ein 𝐶𝑘-Atlas auf 𝑋 mit 𝑘 ist eine Menge an Karten (𝑈𝑖,𝜙𝑖), sodass die 𝑈𝑖 den Raum 𝑋 überdecken und die Kartenwechselabbildungen

    𝜑𝑗𝜑𝑖1:𝜑𝑖(𝑈𝑖𝑈𝑗)𝜑𝑗(𝑈𝑖𝑈𝑗)

    𝑘-mal stetig Fréchet-differenzierbar sind. Ein 𝐶-Atlas auf 𝑋 ist ein Atlas im obigen Sinne, sodass die Kartenwechselabbildungen für alle 𝑘 𝑘-mal Fréchet-differenzierbar sind.

  3. Eine𝐶𝑘-Banach-Mannigfaltigkeit modelliert auf 𝐸 mit 𝑘{} ist eine Banach-Mannigfaltigkeit modelliert auf 𝐸 zusammen mit einem 𝐶𝑘-Atlas. Wenn der Kontext klar ist, sagen wir auch nur 𝐶𝑘-Banach-Mannigfaltigkeit.

  4. Eine 𝐶𝑘-Struktur auf einer Banach-Mannigfaltigkeit 𝑋 mit 𝑘{} ist ein maximaler 𝐶𝑘-Atlas auf 𝑋. Eine glatte Banach-Mannigfaltigkeit ist eine Banach-Mannigfaltigkeit mit einer 𝐶-Struktur.

Beispiel 4.4.3

  1. Jeder Banach-Raum 𝐸 kann kanonisch als glatte Banach-Mannigfaltigkeit aufgefasst werden. Ein 𝐶-Atlas ist gegeben durch die Identität auf 𝐸.

  2. Mit der Teilraumtopologie bildet die Menge

    𝒢︀𝐻3(𝑀,𝑆1){𝜎𝐻3(𝑀,)|für fast alle𝑥𝑀:𝜎(𝑥)𝑆1}𝐻3(𝑀,)

    eine Banach-Mannigfaltigkeit modelliert auf dem reellen Banachraum 𝐻3(𝑀,𝑖). Um dies einzusehen, betrachten wir eine Umgebung 𝑈𝑆1 um 1𝑆1, sodass ein glatter Logarithmus log:𝑈𝑖 existiert. Um alle 𝜎0𝒢︀ definieren wir dann die Menge

    𝒰︀𝜎0{𝜎𝒢︀|für fast alle𝑥𝑀:𝜎(𝑥)𝜎01(𝑥)𝑈}

    und die Abbildung

    𝜑𝜎0:𝒰︀𝜎0𝐻3(𝑀,𝑖)𝜎log(𝜎𝜎01).

    Die Umkehrabbildung ist gegeben durch 𝜑𝜎01(𝑢)=exp(𝑢)𝜎0. Die Menge aller Paare (𝑈𝜎0,𝜑𝜎0) bildet sogar einen 𝐶-Atlas für 𝒢︀ mit dem 𝒢︀ eine glatte Banach-Mannigfaltigkeit wird.

Um später den Satz vom regulären Wert für Banach-Mannigfaltigkeiten einführen zu können, benötigen wir den Begriff einer glatten Abbildung zwischen Banach-Mannigfaltigkeiten und den einer glatt eingebetteten Untermannigfaltigkeit.

Definition 4.4.4 Seien 𝑋,𝑌 jeweils glatte Banach-Mannigfaltigkeiten. Wir nennen eine Abbildung 𝑓:𝑋𝑌 𝑘-mal stetig differenzierbar, wenn für alle 𝑥𝑋 eine Karte 𝜑:𝑈𝑈 von 𝑋 um 𝑥 und eine Karte 𝜓:𝑉𝑉 von 𝑌 um 𝑓(𝑥) existiert, sodass die Darstellung von 𝑓 in diesen Karten

𝜓𝑓𝜑1:𝜑(𝑈𝑓1(𝑉))𝑉

𝑘-mal stetig Fréchet-differenzierbar ist. Die Menge solcher Abbildungen bezeichnen wir mit 𝐶𝑘(𝑋,𝑌). Wenn 𝑓 für alle 𝑘 in 𝐶𝑘(𝑋,𝑌) ist, nennen wir 𝑓 glatt. Die Menge der glatten Abbildungen von 𝑋 nach 𝑌 bezeichnen wir mit 𝐶(𝑋,𝑌). Wenn 𝑓 glatt, bijektiv und 𝑓1 glatt ist, nennen wir 𝑓 einen Diffeomorphismus.

Definition 4.4.5 Sei 𝐸 ein Banach-Raum, 𝑘{} und 𝑋 eine 𝐶𝑘-Banach-Mannigfaltigkeit modelliert auf 𝐸. Eine 𝐶𝑘-eingebettete Untermannigfaltigkeit von 𝑋 ist eine Teilmenge 𝑀𝑋, sodass für alle 𝑝𝑀 eine Karte 𝜑𝑝:𝑈𝑈 von 𝑋 um 𝑝 und eine Zerlegung

𝐸=𝐵𝐹

in zwei weitere Banach-Räume 𝐵,𝐹 existiert, sodass 𝜑𝑝(𝑈𝑀)=𝑈(𝐵×{0}) gilt.

Definition 4.4.6 Sei 𝑋 eine glatte Banach-Mannigfaltigkeit.

  1. Ein Tangentialvektor an 𝑥𝑋 ist eine Derivation 𝐷 an 𝑥𝑋, d. h. eine -lineare Abbildung

    𝐷:𝐶(𝑋,)

    mit

    𝐷(𝑓𝑔)=𝐷(𝑓)𝑔𝑥+𝑓𝑥𝐷(𝑔)für alle𝑓,𝑔𝐶(𝑋,).

    Der Tangentialraum 𝑇𝑥𝑋 an 𝑥𝑋 ist der reelle Vektorraum aller Derivationen an 𝑥.

  2. Wenn 𝑌 eine weitere glatte Banach-Mannigfaltigkeit, 𝑥𝑋 ein Punkt in 𝑋 und 𝑓𝐶(𝑋,𝑌) eine glatte Abbildung ist, dann definieren wir eine lineare Abbildung

    𝑑𝑓𝑥:𝑇𝑥𝑋𝑇𝑓(𝑥)𝑌𝐷𝑑𝑓𝑥(𝐷)

    durch

    𝑑𝑓𝑥(𝐷)(𝑔)𝐷(𝑔𝑓)für alle𝑔𝐶(𝑌,).

Wir haben nun die nötigen Begriffe eingeführt, um den Satz vom regulären Wert für Abbildungen zwischen Banach-Mannigfaltigkeiten formulieren zu können.

Proposition 4.4.7 Sei 𝑓:𝑋𝑌 eine glatte Abbildung zwischen glatten Banach-Mannigfaltigkeiten 𝑋,𝑌. Wenn 𝑦𝑌 ein regulärer Wert von 𝑓 ist, d. h. für alle 𝑥𝑓1(𝑦) ist 𝑑𝑓𝑥 surjektiv, dann ist 𝑓1(𝑦) eine glatt eingebettete Untermannigfaltigkeit von 𝑋.

Beweis: Siehe [Lan02].

4.5. Fredholm-Abbildungen und der Indexsatz

Um den perturbierten Seiberg-Witten-Modulraum als eine endlich-dimensionale Mannigfaltigkeit interpretieren zu können, benötigen wir den Begriff eines Fredholm-Operators, des Fredholm-Index und den einer Fredholm-Abbildung zwischen glatten Banach-Mannigfaltigkeiten. Mit Hilfe eines Spezialfalls des Atiyah-Singer-Indexsatzes werden wir anschließend den Fredholm-Index des positiven Dirac-Operators und die Euler-Charakteristik eines zu einer Riemannschen 4-Mannigfaltigkeit gehörenden elliptischen Komplexes ausdrücken.

Definition 4.5.1

  1. Sei 𝕂{,} und 𝐸,𝐹 Banachräume über 𝕂. Ein beschränkter linearer Operator 𝑓:𝐸𝐹 heißt Fredholm-Operator, wenn ker(𝑓)𝐸 endlich-dimensional ist und im(𝑓)𝐹 endliche Kodimension hat. Die Zahl

    ind𝕂(𝑓)dim𝕂ker(𝑓)codim𝕂im(𝑓)

    heißt Fredholm-Index bzw. auch nur Index von 𝑓. Wenn der Grundkörper klar ist, schreiben wir auch nur ind(𝑓)ind𝕂(𝑓). Im Fall 𝕂= schreiben wir zusätzlich ind(𝑓)2 ind(𝑓).

  2. Eine glatte Abbildung 𝑓:𝑋𝑌 zwischen glatten Banach-Mannigfaltigkeiten heißt Fredholm-Abbildung von Index 𝑛, wenn 𝑑𝑓𝑥 für alle 𝑥𝑋 ein Fredholm-Operator von Index 𝑛 ist.

Lemma 4.5.2 Seien 𝐸,𝐹 Banachräume und 𝑓:𝐸𝐹 ein Fredholm-Operator. Dann gelten die folgenden Aussagen.

  1. Das Bild im(𝑓)𝐹 ist abgeschlossen.

  2. Wenn 𝐸,𝐹 Hilberträume sind, dann ist auch der zu 𝑓 adjungierte Operator 𝑓:𝐹𝐸 ein Fredholm-Operator und für den Index gilt

ind(𝑓)=ind(𝑓).
Beweis: Die Abgeschlossenheit des Bildes eines Fredholm-Operators folgt aus der endlichen Kodimension des Bildes (siehe Kapitel 11, Korollar 2.3 in [GGK90]). Für eine beschränkte lineare Abbildung 𝑓:𝐸𝐹 zwischen Hilberträumen 𝐸 und 𝐹 mit abgeschlossenem Bild im𝑓𝐹 gilt im𝑓=(ker𝑓) und im𝑓=(ker𝑓) [GGK90]. Insbesondere folgt daraus für einen Fredholm-Operator ind(𝑓)=codim𝕂im(𝑓)dim𝕂ker(𝑓)=ind(𝑓).

Mit dem Begriff einer Fredholm-Abbildung können wir den Satz vom regulären Wert für Abbildungen zwischen Banach-Mannigfaltigkeiten im Fall einer Fredholm-Abbildung weiter verschärfen. Dies ist das Hauptresultat, welches wir verwenden werden, um den Seiberg-Witten-Modulraum als endlich-dimensionale Mannigfaltigkeit interpretieren zu können.

Proposition 4.5.3 Seien 𝐸,𝐹 Banachräume über dem Körper 𝕂 mit 𝕂{,}. Seien außerdem 𝑋,𝑌 glatte Banach-Mannigfaltigkeiten modelliert auf 𝐸,𝐹 sowie 𝑓:𝑋𝑌 eine Fredholm-Abbildung von Index 𝑛 und 𝑦𝑌 ein regulärer Wert von 𝑓 (definiert wie in Proposition 4.4.7). Im Fall 𝑛0 ist 𝑓1(𝑦) eine endlich-dimensionale Mannigfaltigkeit der Dimension ind(𝑓). Im Fall 𝑛<0 gilt 𝑓1(𝑦)=.

Beweis: Siehe [Lan02].

Wir werden nun sehen, wie wir den Vektorräumen von Schnitten in einem Vektorbündel über einer kompakten, Riemannschen Mannigfaltigkeit durch die Wahl einer Bündelmetrik und eines Zusammenhangs eine Norm verleihen können. Ferner werden wir feststellen, dass sich lineare Differentialoperatoren auf den dabei entstehenden Banachräumen zu beschränkten linearen Operatoren fortsetzen lassen. Die Fälle in denen der ursprüngliche Operator elliptisch war, werden besondere Beispiele für Fredholm-Operatoren sein.

Definition 4.5.4 Sei (𝑀,𝑔) eine kompakte Riemannsche Mannigfaltigkeit, 𝐸 ein reelles oder komplexes Vektorbündel über 𝑀 sowie :Γ(𝐸)Γ(𝑇𝑀𝐸) ein Zusammenhang und ,𝐸 eine Bündelmetrik auf 𝐸. Für 𝑥𝑀 und 𝜔(Λ𝑘𝑇𝑀𝐸)𝑥 setzen wir

|𝜔|21𝑗1<<𝑗𝑘𝑛𝜔(𝐸𝑗1,,𝐸𝑗𝑘),𝜔(𝐸𝑗1,,𝐸𝑗𝑘)𝐸.

Dabei ist (𝐸1,,𝐸𝑛) eine 𝑔-ONB von 𝑇𝑥𝑀. Für Vektorfelder 𝑋1,,𝑋𝑘Γ(𝑇𝑀) schreiben wir

𝑘𝜑(𝑋1,,𝑋𝑘)𝑋1𝑋𝑘𝜑und0𝜑𝜑.

Dann definiert

Γ(𝐸)𝜑𝜑𝐻𝑘(𝐸)𝑗=0𝑘𝑀|𝑗𝜑|2dvol𝑔

für alle 𝑘0 eine Norm auf dem Vektorraum Γ(𝐸) der Schnitte in 𝐸. Den Abschluss von Γ(𝐸) unter der Norm 𝐻𝑘(𝐸) bezeichnen wir als den (2,𝑘)-Sobolev-Raum

𝐻𝑘(𝐸).

Beispiel 4.5.5 Sei 𝕂{,} Wenn 𝐸=𝑀×𝕂 das triviale 𝕂-Vektorbündel ist, dann definiert

(𝑥,𝑣),(𝑥,𝑤)𝑣𝑤

eine Bündelmetrik auf 𝐸. Die resultierenden (2,𝑘)-Sobolev-Räume bezeichnen wir mit

𝐻𝑘(𝑀,𝕂).

Lemma 4.5.6 Sei (𝑀,𝑔) eine kompakte Riemannsche Mannigfaltigkeit, 𝕂{,} und 𝐸,𝐹 zwei 𝕂-Vektorbündel über 𝑀 auf denen jeweils hermitesche Bündelmetriken und Zusammenhänge gegeben sind. Ein linearer Differentialoperator 𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹) der Ordnung 𝑚 kann für alle 𝑘𝑚 zu einem beschränkten linearen Operator 𝑃:𝐻𝑘(𝐸)𝐻𝑘𝑚(𝐹) auf den dazugehörigen Sobolev-Räumen mit

𝑃([(𝑎)𝑖])lim𝑖𝑃(𝑎𝑖)für alle Cauchy-Folgen(𝑎)𝑖in(Γ(𝐸),|𝐻𝑘(𝐸))

fortgesetzt werden. Wenn 𝑃 zusätzlich ein elliptischer Operator ist, dann ist die Fortsetzung ein Fredholm-Operator, dessen Index unabhängig von 𝑘 ist, nur vom Hauptsymbol von 𝑃 abhängt und für den gilt:

ind(𝑃:𝐻𝑘(𝐸)𝐻𝑘𝑚(𝐹))=dim𝕂ker(𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹))codim𝕂im(𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹)).

Beweis: Siehe Kapitel 3, Proposition 2.1, Theorem 5.2, Korollar 5.3 und Theorem 13.2 in [LM89].

Wir möchten nun eine Beziehung zwischen elliptischen Komplexen (siehe Definition 4.2.1) und Fredholm-Operatoren herstellen. Dazu führen wir die sogenannte Euler-Charakteristik eines elliptischen Komplexes ein, welche gemäß des folgenden Satzes wohldefiniert ist.

Satz 4.5.7 Die Homologiegruppen eines elliptischen Komplexes über einer kompakten Mannigfaltigkeit sind endlich-dimensional.

Beweis: Siehe [AB67].

Definition 4.5.8 Sei 𝐸 ein elliptischer Komplex über einer kompakten Mannigfaltigkeit mit Homologiegruppen 𝐻𝑖(𝐸) für alle 0𝑖𝑛. Sei 𝕂{,} der Körper, über dem die jeweiligen Vektorbündel des Komplexes definiert sind. Dann nennen wir

𝜒𝕂(𝐸)𝑖=0𝑛(1)𝑖dim𝕂𝐻𝑖(𝐸)

die Euler-Charakteristik von 𝐸. Im Fall 𝕂= schreiben wir auch 𝜒(𝐸)2𝜒(𝐸) und, wenn der Kontext klar ist, auch nur 𝜒(𝐸)𝜒𝕂(𝐸).

Im einfachsten Fall lässt sich der Index eines elliptischen Operators wie folgt mit der Euler-Charakteristik in Beziehung setzen.

Bemerkung 4.5.9 Sei (𝑀,𝑔) eine kompakte, Riemannsche Mannigfaltigkeit, 𝕂{,}, 𝐸,𝐹 zwei 𝕂-Vektorbündel über 𝑀 und 𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹) ein elliptischer linearer Differentialoperator 𝑚-ter Ordnung über 𝑀. Wenn 𝐸 der elliptische Komplex

0Γ(𝐸)𝑃Γ(𝐹)0

ist, dann gilt

ind(𝑃:𝐻𝑘(𝐸)𝐻𝑘𝑚(𝐸))=𝜒𝕂(𝐸).

Auch für einen allgemeinen elliptischen Komplex existiert ein elliptischer Differentialoperator, dessen Index der Euler-Charakteristik des Komplexes entspricht.

Proposition 4.5.10 Sei (𝑀,𝑔) eine kompakte Riemannsche Mannigfaltigkeit, 𝐸 ein elliptischer Komplex über 𝑀 und 𝜒(𝐸) seine Euler-Charakteristik. Seien auf den dazugehörigen reellen oder komplexen Vektorbündeln 𝐸0,,𝐸2𝑛+1 jeweils Bündelmetriken gegeben, sodass die formalen Adjungierten 𝑑0,,𝑑2𝑛 zu den linearen Differentialoperatoren 𝑑0,,𝑑2𝑛 des Komplexes definiert werden können. Dann ist der Operator

𝐷:Γ(𝑖=0𝑛𝐸2𝑖)Γ(𝑖=0𝑛𝐸2𝑖+1)(𝑢0,𝑢2,)(𝑑0𝑢0+𝑑1𝑢2,𝑑2𝑢2+𝑑3𝑢4,)

ein elliptischer Operator und für den Index der Fortsetzung dieses Operators zu einem Fredholm-Operator auf den respektiven Sobolev-Räumen gilt

ind(𝐷)=𝜒(𝐸).

Beweis: Siehe §7 in [AS68a].

Der erste Baustein, aus dem wir die Dimension des Seiberg-Witten-Modulraums zusammensetzen werden, ist die Euler-Charakteristik des folgenden Komplexes.

Beispiel 4.5.11 Sei (𝑀,𝑔) eine kompakte Riemannsche 4-Mannigfaltigkeit, 𝑏+(𝑀) die positive Betti-Zahl wie in Definition 4.2.6, pr+:Ω2(𝑀,𝑖)Ω+2(𝑀,𝑖) die Projektion auf den selbstdualen Anteil in Ω2(𝑀,𝑖) und 𝑑+pr+𝑑. Wenn 𝐸 der elliptische Komplex

0Ω0(𝑀,𝑖)𝑑Ω1(𝑀,𝑖)𝑑+Ω+2(𝑀,𝑖)0

ist, dann gilt für die Euler-Charakteristik von 𝐸

𝜒(𝐸)=𝑏0(𝑀)𝑏1(𝑀)+𝑏+(𝑀).

Um dies einzusehen, betrachten wir ein Element 𝜔Ω+2(𝑀,𝑖), welches orthogonal zum Bild von 𝑑+ sei. Dann gilt 𝛿𝜔=0 und somit, da 𝜔 selbstdual ist, auch 𝑑𝜔=0 und daher 𝜔ℋ︀+2(𝑀,𝑖). Ist andersherum 𝜔ℋ︀+2(𝑀,𝑖), folgt aus 𝛿𝜔=0 sofort, dass 𝜔 im orthogonalen Komplement vom Bild von 𝑑+ liegt. Sei nun 𝜔Ω1(𝑀,𝑖) orthogonal zum Bild von 𝑑 und im Kern von 𝑑+. Dann gilt auch 𝛿𝜔=0. Außerdem gilt

2𝑑+𝜔=𝑑𝜔+𝑑𝜔=0.

Somit gilt

𝜔=(𝛿𝑑+𝑑𝛿)𝜔=𝛿𝑑𝜔=𝑑𝑑𝜔=𝑑𝑑𝜔=0.

Gilt andersherum 𝜔ℋ︀1(𝑀), so folgt aus 𝛿𝜔=0 und 𝑑𝜔=0, dass 𝜔 im orthogonalen Komplement zum Bild von 𝑑 und im Kern von 𝑑+ liegt. Insgesamt gilt für die Homologie-Gruppen von 𝐸

𝐻0(𝐸)=𝐻dR0(𝑀),𝐻1(𝐸)=ℋ︀1(𝑀)𝐻dR1(𝑀),𝐻2(𝐸)=ℋ︀+2(𝑀).

Somit ist der Operator

𝑑(𝑑+):Ω0(𝑀,𝑖)Ω+2(𝑀,𝑖)Ω1(𝑀,𝑖)

gemäß Proposition 4.5.10 ein elliptischer Operator und für den Index der Fortsetzung dieses Operators zu einem Fredholm-Operator auf den respektiven Sobolev-Räumen gilt

ind(𝑑(𝑑+))=𝑏0(𝑀)𝑏1(𝑀)+𝑏+(𝑀).

Korollar 4.5.12 Gemäß Lemma 4.5.2 ist auch der Operator

𝛿𝑑+:Ω1(𝑀,𝑖)Ω0(𝑀,𝑖)Ω+2(𝑀,𝑖)

ein elliptischer Operator und für den Index der Fortsetzung dieses Operators zu einem Fredholm-Operator auf den respektiven Sobolev-Räumen gilt

ind(𝛿𝑑+)=𝑏0(𝑀)+𝑏1(𝑀)𝑏+(𝑀).

Wir erhalten außerdem das folgende Korollar, das wir zur Vermeidung reduzibler Lösungen der Seiberg-Witten-Gleichungen benötigen.

Korollar 4.5.13 Sei (𝑀,𝑔) eine kompakte, Riemannsche 4-Mannigfaltigkeit, 𝑃 ein 𝑆1-HFB über 𝑀 und 𝐴0 eine beliebige Zusammenhangsform auf 𝑃. Dann spannt die Menge

{Ω+𝐴pr+Ω𝐴Ω+2(𝑀,𝑖)|𝐴Zusammenhangsform auf𝑃}Ω+2(𝑀,𝑖)={Ω+𝐴0+𝑑+𝑎|𝑎Ω1(𝑀,𝑖)}.

einen affinen Unterraum von Ω+2(𝑀,𝑖) der Kodimension 𝑏+(𝑀) auf.

Beweis: Die gesuchte Kodimension ist dim𝐻2(𝐸)=𝑏+(𝑀), wobei 𝐸 der Komplex aus Beispiel 4.5.11 ist.

Als zweiten Baustein der Dimensionsberechnung benötigen wir den Index des positiven Dirac-Operators einer Spin-Struktur zu dessen Angabe mit Hilfe eines Spezialfalles des Atiyah-Singer-Indexsatzes wir den Begriff einer multiplikativen Sequenz einführen müssen.

Definition 4.5.14 Sei 𝑄(𝑥)=1+𝑎1𝑥+𝑎2𝑥2+ eine formale Potenzreihe mit rationalen Koeffizienten und 𝑎0=1. Dann ist der Ausdruck

𝑖=1𝑛𝑄(𝑥𝑖)=1+𝑘𝐹𝑘(𝜎1(𝑥1,,𝑥𝑛),,𝜎𝑘(𝑥1,,𝑥𝑛))

offenbar symmetrisch in den formalen Variablen 𝑥1,,𝑥𝑛 und kann daher durch elementarsymmetrische Polynome

𝜎𝑘(𝑥1,,𝑥𝑛){1𝑗1<<𝑗𝑘𝑛𝑥𝑗1𝑥𝑗𝑘𝑘𝑛0sonst

und gewichtet homogene Funktionen

𝐹𝑘(𝑡𝜎1,,𝑡𝑘𝜎𝑘)=𝑡𝑘𝐹𝑘(𝜎1,,𝜎𝑘)

ausgedrückt werden. Die Folge (𝐹𝑘) heißt multiplikative Sequenz assoziiert zu 𝑄(𝑥).

Definition 4.5.15 Sei (𝐹𝑘) die zu einer formalen Potenzreihe 𝑄(𝑥) mit Koeffizienten in assoziierte multiplikative Sequenz. Sei außerdem

𝐵=𝐵0𝐵1𝐵2mit𝐵𝑖𝐵𝑗𝐵𝑖𝑗

eine kommutative, unitäre Algebra über und 𝐵^ die Menge der formalen Summen

1+𝑏1+𝑏2+𝐵^

mit 𝑏𝑖𝐵𝑖 für alle 𝑖 (zum Beispiel 𝐵=𝐻dRgerade(𝑀,)). Dann definieren wir bezüglich der zu 𝑄(𝑥) assoziierten multiplikativen Sequenz (𝐹𝑘) eine Abbildung 𝑭:𝐵^𝐵^, die eine formale Summe 𝑏=1+𝑏1+𝑏2+ abbildet auf

𝑭(𝑏)1+𝐹1(𝑏1)+𝐹2(𝑏1,𝑏2)+𝐵^.

Beispiel 4.5.16 Wir betrachten die Potenzreihe

𝑎̂(𝑥)=𝑥/2sinh(𝑥/2)=1124𝑥+727325𝑥2+

Die ersten Terme der zu 𝑎̂(𝑥) assoziierten multiplikativen Sequenz sind gegeben durch

𝑎̂(𝑥1)𝑎̂(𝑥2)=(1124𝑥1+727325𝑥12+)(1124𝑥2+727325𝑥22+)=1124(𝑥1+𝑥2)+1(24)2𝑥1𝑥2+727325(𝑥12+𝑥22)+=1124𝜎1(𝑥1,𝑥2)𝐹1(𝜎1(𝑥1,𝑥2))+127325(4𝜎2(𝑥1,𝑥2)+7(𝜎1(𝑥1,𝑥2))2)𝐹2(𝜎1(𝑥1,𝑥2),𝜎2(𝑥1,𝑥2))+

Wenn zusätzlich 𝐸 ein reelles Vektorbündel über einer Mannigfaltigkeit 𝑀 ist, dann heißt das Bild der totalen Pontrjagin-Klasse 𝑝(𝐸)=1+𝑝1(𝐸)+𝑝2(𝐸)+ (siehe Definition 2.7.8) bezüglich dieser multiplikativen Sequenz die totale 𝐴̂-Klasse von 𝐸:

𝐴̂(𝐸)1124𝑝1(𝐸)+127325(4𝑝2(𝐸)+7𝑝1(𝐸)𝑝1(𝐸))+

Proposition 4.5.17 Sei 𝑀 eine kompakte, Riemannsche Mannigfaltigkeit gerader Dimension mit einer Spin-Struktur, 𝑃1 das zugehörige Determinantenlinienbündel, 𝐴 eine Zusammenhangsform auf 𝑃1, 𝑐1(𝑃1)ΩdR2(𝑀,) die erste Chern-Klasse von 𝑃1 (siehe Definition 2.7.7) und 𝐴̂(𝑇𝑀) die 𝐴̂-Klasse von 𝑇𝑀 wie in Beispiel 4.5.16. Dann ist der zu 𝐴 gehörige positive Dirac-Operator 𝜕𝐴+:𝑆+𝑆 ein elliptischer Operator und für den Index der Fortsetzung 𝜕𝐴+:𝐻𝑘(𝑆+)𝐻𝑘1(𝑆) zu einem Fredholm-Operator auf den respektiven Sobolev-Räumen gilt

ind(𝜕𝐴+)=𝑀[𝑒12𝑐1(𝑃1)𝐴̂(𝑇𝑀)]dim(𝑀).

Dabei ist der Integrand der Anteil der formalen Potenzreihe

𝑒12𝑐1(𝑃1)𝐴̂(𝑇𝑀)=(1+12𝑐1(𝑃1)+18𝑐1(𝑃1)𝑐1(𝑃1)+)(1124𝑝1(𝑇𝑀)+),

welcher in 𝐻dRdim(𝑀)(𝑀,) liegt.

Beweis: Siehe [LM89].

Wir können diese Formel mit Hilfe des folgenden Resultats weiter vereinfachen.

Satz 4.5.18 Für die Signatur einer kompakten, orientierten, Riemannschen 4-Mannigfaltigkeit gilt

𝜎(𝑀)=𝑀13 𝑝1(𝑇𝑀).

Beweis: Siehe [Hir71].

Satz 4.5.18 ist ein Spezialfall des Hirzebruch-Riemann-Roch-Theorems [Hir56, Hir54], welches selbst ein Vorläufer und ein Spezialfall des Atiyah-Singer-Indexsatzes ist. Dieser wurde in einer Serie von Arbeiten [AS68b, AS63, AS68a, AS68c, AS71a, AS71b] von M. Atiyah und I. Singer entwickelt. Mit Hilfe von Satz 4.5.18 können wir den Index des positiven Dirac-Operators nun wie folgt schreiben.

Korollar 4.5.19 Wenn 𝑀 vierdimensional ist, dann gilt für den Index des positiven Dirac-Operators

ind(𝜕𝐴+)=18𝑀𝑐1(𝑃1)𝑐1(𝑃1)124𝑀𝑝1(𝑇𝑀).

Wenn 𝑐12(𝑃1)[𝑀] die Auswertung von 𝑐12(𝑃1) auf 𝑀 ist, erhalten wir mittels Satz 4.5.18 ferner

ind(𝜕𝐴+)=18(𝑐12(𝑃1)[𝑀]𝜎(𝑀)).

Bemerkung 4.5.20 Falls 𝑀 eine Spin-Struktur besitzt (d. h. 𝑐1(𝑃1)=0), dann ist die Signatur 𝜎(𝑀) durch 8 teilbar.

4.6. Das Definitionsgebiet der Seiberg-Witten-Abbildung

Sei (𝑀,𝑔) eine kompakte, Riemannsche 4-Mannigfaltigkeit mit einer Spin-Struktur und 𝐴0Ω1(𝑃1,𝔤) eine beliebige Zusammenhangsform auf dem zur Spin-Struktur gehörigen Determinantenlinienbündel 𝑃1.

Bei der Betrachtung der Lösungen der Seiberg-Witten-Gleichungen wäre es naheliegend, glatte Spinorfelder und Zusammenhänge zu betrachten. Um jedoch den Satz vom regulären Wert anwenden zu können, müssen wir auf dem komplexen Vektorraum der Schnitte im Spinorbündel und dem affinen Raum der Zusammenhänge auf dem zur Spin-Struktur gehörigen Determinantenlinienbündel geeignete Sobolev-Vervollständigungen wie in Definition 4.5.4 betrachten. Die Lösungsmenge wird sich dabei nicht verändern und aus glatten Schnitten bestehen [Mor96].

Satz 4.6.1 Seien 𝐸,𝐹 komplexe oder reelle Vektorbündel über 𝑀 auf denen jeweils Bündelmetriken und Zusammenhänge gegeben sind, sodass wir die respektiven Sobolev-Vervollständigungen 𝐻𝑘(𝐸),𝐻𝑘(𝐹) betrachten können. Sei 𝑃:Γ(𝐸)Γ(𝐹) ein linearer Differentialoperator 𝑚-ter Ordnung und 𝑃:𝐻𝑘(𝐸)𝐻𝑘𝑚(𝐸) seine Fortsetzung zu einem Operator auf den jeweiligen Sobolev-Räumen wie in Lemma 4.5.6. Wenn 𝑢𝐻𝑘(𝐸) eine Lösung der Gleichung 𝑃𝑢=0 ist, dann gilt 𝑢Γ(𝐸).

Beweis: Siehe [Eva10].

Definition 4.6.2

  1. Die Seiberg-Witten-Abbildung ist die Abbildung

    𝒮︀𝒲︀:𝐻2(𝑆+𝑇𝑀)𝐻1(𝑆(Λ+2𝑇𝑀𝑖))(𝜑,𝑎)(𝜕𝐴0+𝜑+𝑎𝜑Ω+𝐴0+(𝑑𝑎)+𝜔𝜑).

    Das Definitionsgebiet dieser Abbildung, welches wir als den Konfigurationsraum (der Seiberg-Witten-Gleichungen) bezeichnen, ist ein Banachraum, somit gemäß Beispiel 4.4.3 eine glatte Banach-Mannigfaltigkeit und wir kürzen wie folgt ab

    𝒜︀𝐻2(𝑆+𝑇𝑀).
  2. Wir betrachten außerdem eine Eichwirkung der Gruppe 𝒢︀𝐻3(𝑀,𝑆1)𝐻3(𝑀,) auf dem Definitionsgebiet 𝒜︀ von 𝒮︀𝒲︀ von rechts durch

    𝒜︀×𝒢︀𝒜︀(𝜑,𝑎,𝜎)(𝜑,𝑎)𝜎(𝜎1𝜑,𝑎+2𝜎1𝑑𝜎).

    Den Quotienten bezüglich dieser Wirkung bezeichnen wir mit

    ℬ︀𝒜︀/𝒢︀.

Proposition 4.6.3 Wenn (𝜑,𝑎)𝒜︀ eine Lösung von Gl. (4.6) und 𝜎𝒢︀ eine Eichtransformation ist, dann ist auch (𝜑,𝑎)𝜎 eine Lösung von Gl. (4.6).

Beweis: Sei 𝜋:𝑃1𝑀 die Projektion in 𝑃1, 𝐴𝐴0+𝜋𝑎 und 𝐴=𝐴+𝜋(2𝜎1𝑑𝜎). Sei außerdem der Zusammenhang auf Ω0(𝑀,𝑖) definiert durch 𝑋𝑠𝑋(𝑠) für alle 𝑠Ω0(𝑀,𝑖). Dann gilt mit Definition 3.4.13 und Korollar 3.5.13:

𝜕𝐴+(𝜎1𝜑)=𝜕𝐴+(𝜎1𝜑)+12(2𝜎1𝑑𝜎)(𝜎1𝜑)=(𝜎1)𝜑+𝜎1𝜕𝐴+𝜑+𝜎2𝑑𝜎𝜑=𝜎2𝑑𝜎𝜑+𝜎1𝜕𝐴+𝜑+𝜎2𝑑𝜎𝜑=𝜎1𝜕𝐴+𝜑.

Gemäß Bemerkung 2.6.7 ist die lokale Krümmungsform außerdem invariant unter Eichtransformationen und da 𝜎 Werte im Einheitskreis annimmt, gilt 𝜔𝜎1𝜑=𝜔𝜑. Somit ist insgesamt (𝜑,𝑎)𝜎 eine Lösung von Gl. (4.6).

Definition 4.6.4 Sei ℬ︀=𝒜︀/𝒢︀ der Quotient wie in Definition 4.6.2. Der Modulraum der Seiberg-Witten-Gleichungen ist

Der Modulraum der perturbierten Seiberg-Witten-Gleichungen ist

Dabei ist 𝜂𝐻2(Λ+2𝑇𝑀𝑖) eine feste selbstduale 2-Form.

Um zu zeigen, dass ℳ︀𝑃1,𝜂 für fast alle 𝜂 eine endlich-dimensionale Mannigfaltigkeit ist, gehen wir in zwei Schritten vor. Zuerst werden wir in einem zweiten Fall, in dem wir nur die Wirkung einer reduzierten Eichgruppe betrachten, feststellen, dass die Menge der Lösungen der perturbierten Gleichungen eine Mannigfaltigkeit bildet, um im zweiten Schritt auf die Dimension von ℳ︀𝑃1,𝜂 schließen zu können.

Definition 4.6.5

  1. Sei 𝑥0𝑀 ein beliebiger Punkt in 𝑀. Die reduzierte Eichgruppe ist

    𝒢︀0{𝜎𝒢︀|𝜎(𝑥0)=1}𝒢︀.
  2. Den Quotienten bezüglich der Einschränkung der Eichwirkung auf diese Gruppe bezeichnen wir mit

    ℬ︀0𝒜︀/𝒢︀0.
  3. Wir definieren

    ℳ︀𝑃1,𝜂,0{(𝑎,𝜑)ℬ︀0|(𝑎,𝜑)erfülltGl. (4.6)}ℬ︀0.

Bemerkung 4.6.6 Der Modulraum der perturbierten Seiberg-Witten-Gleichungen ℳ︀𝑃1,𝜂 ergibt sich als Quotient

ℳ︀𝑃1,𝜂=ℳ︀𝑃1,𝜂,0/𝑆1,

wobei 𝑆1𝒢︀0 die Lie-Gruppe der konstanten Eichtransformationen ist.

Um die Wirkung der reduzierten Eichgruppe auf den Konfigurationsraum besser verstehen zu können, werden wir annehmen, dass für jede Eichtransformation eine globale Hebung existiert. Die Existenz einer solchen Hebung wird durch den folgenden Satz beschrieben.

Satz 4.6.7 Sei 𝑝:𝐵𝐴 eine Überlagerung topologischer Räume, 𝑋 ein wegzusammenhängender und lokal wegzusammenhängender topologischer Raum und 𝑓:𝑋𝐴 eine stetige Abbildung. Dann existiert genau dann eine Hebung 𝑓̃:𝑋𝐵 (von 𝑓) mit 𝑝𝑓̃=𝑓, wenn

𝑓𝜋1(𝑋)𝑝𝜋1(𝐵)

gilt.

Beweis: Siehe Proposition 1.33 in [Hat02].

Korollar 4.6.8 Wenn 𝑀 einfach zusammenhängend ist (d. h. 𝜋1(𝑀)={𝑒}), existiert für alle Eichtransformationen 𝜎𝒢︀ eine Hebung zu einer Abbildung 𝑢:𝑀𝑖 mit 𝜎=exp𝑢.

Proposition 4.6.9 Sei 𝑀 einfach zusammenhängend und 𝒢︀0 die reduzierte Eichgruppe zu einem beliebigen Punkt 𝑥0𝑀. Dann besitzt die Eichwirkung von 𝒢︀0 einen globalen Schnitt, d. h. die Abbildung

𝜙:{(𝜑,𝑎)𝒜︀|𝛿𝑎=0}×𝒢︀0𝒜︀(𝜑,𝐴,𝜎)(𝜑,𝐴)𝜎

ist ein Diffeomorphismus. Insbesondere ist ℬ︀0=𝒜︀/𝒢︀0 eine glatte Banach-Mannigfaltigkeit, die global diffeomorph ist zu dem Banachraum

{(𝜑,𝑎)𝒜︀|𝛿𝑎=0}𝒜︀.

Beweis: Wir zeigen zuerst die Surjektivität. Sei dazu (𝑎,𝜑)𝒜︀ ein beliebiges Element in 𝒜︀. Wir suchen eine 1-Form 𝑎𝐻2(𝑀,𝑇𝑀𝑖) mit 𝛿𝑎=0 und gemäß Korollar 4.6.8 eine Eichtransformation gegeben durch eine Funktion 𝑢𝐻3(𝑀,𝑖), sodass gilt

𝑎+𝑑𝑢=𝑎𝑎=𝑎𝑑𝑢.

Wir setzen 𝑎(𝑢)𝑎𝑑𝑢 und suchen 𝑢𝐻3(𝑀,𝑖), sodass gilt

𝛿(𝑑𝑢)=𝑢=𝛿𝑎.

Dies ist genau die Poisson-Gleichung, deren Lösbarkeit wir in Lemma 4.2.7 festgestellt haben. Die Surjektivität folgt daraus, dass wir auf 𝑢 eine konstante Funktion addieren können, sodass 𝑢(𝑥0)=0 gilt. Um die Injektivität zu zeigen, wählen wir 𝑎,𝑎𝐻2(𝑇𝑀𝑖) mit 𝛿𝑎=𝛿𝑎=0 und 𝑢,𝑢𝐻3(𝑀,𝑖), sodass gilt

𝑎+𝑑𝑢=𝑎+𝑑𝑢𝑎𝑎=𝑑(𝑢𝑢).

Somit gilt

𝑀𝑎𝑎,𝑎𝑎dvol𝑔=𝑀𝑑(𝑢𝑢),𝑎𝑎dvol𝑔=𝑀𝑢𝑢,𝛿(𝑎𝑎)dvol𝑔=0

und daher 𝑎=𝑎 und 𝑑𝑢=𝑑𝑢, was die Injektivität zeigt. Für das Differential von 𝜙 gilt

(𝐷𝜙)(𝜑,𝐴,𝑢)(𝜑𝐴𝑢)=(exp(𝑢)0exp(𝑢)𝜑012𝑑)(𝜑𝐴𝑢)=(exp(𝑢)𝜑exp(𝑢)𝜑𝑢𝐴+2𝑑𝑢)

Aus diesem Ausdruck und der Bijektivität von 𝜙 folgt, dass (𝐷𝜙)(𝜑,𝐴,𝑢) bijektiv ist. Somit ist 𝜙 als bijektiver lokaler Diffeomorphismus ein Diffeomorphismus. Um einzusehen, dass ℬ︀0 ein Hausdorff-Raum ist, betrachten wir zwei Punkte 𝑏1,𝑏2ℬ︀0 und Urbilder unter der Projektionsabbildung (𝜑1,𝑎1),(𝜑2,𝑎2)𝒜︀ mit 𝛿𝑎1=𝛿𝑎2=0. Da {(𝜑,𝑎)𝒜︀|𝛿𝑎=0} ein Hausdorff-Raum ist, existieren disjunkte offene Umgebungen 𝑈1,𝑈2 um 𝑎1 bzw. 𝑎2 mit 𝑈1𝑈2=. Dann sind 𝜋(𝑈1×𝒢︀0), 𝜋(𝑈2×𝒢︀0)ℬ︀0 disjunkte, offene Umgebungen um 𝑏1,𝑏2ℬ︀0 mit leerem Schnitt und somit ist ℬ︀0 ein Hausdorff-Raum. Da 𝜙 ein Diffeomorphismus ist, ist 𝜋:𝒜︀ℬ︀0 eingeschränkt auf {(𝜑,𝑎)𝒜︀|𝛿𝑎=0} ein Homöomorphismus und somit bildet

(ℬ︀0,𝜋|{(𝜑,𝑎)𝒜︀|𝛿𝑎=0}1)

eine globale Karte für ℬ︀0.

4.7. Der Modulraum der Seiberg-Witten-Gleichungen

Sei (𝑀,𝑔) eine einfach zusammenhängende, kompakte, Riemannsche 4-Mannigfaltigkeit mit einer Spin-Struktur und 𝐴0Ω1(𝑃1,𝔤) eine beliebige Zusammenhangsform auf dem zur Spin-Struktur gehörigen Determinantenlinienbündel 𝑃1.

Wir sind nun in der Lage, die Dimension des Seiberg-Witten-Modulraums mit Hilfe des Satzes vom regulären Wert zu berechnen. Dabei nutzen wir einen auf [Sma65] zurückgehenden Fakt, welcher ursprünglich für Abbildungen im 𝑛 [Sar42] formuliert wurde. Die ursprüngliche Aussage für Abbildungen im 𝑛 lautet wie folgt.

Theorem 4.7.1 Sei 𝑈 eine offene Teilmenge von 𝑛 und 𝑓:𝑈𝑚 eine Abbildung, die 𝑘-mal differenzierbar ist mit 𝑘>max(𝑛𝑚,0). Dann hat die Menge der Punkte 𝑦𝑚, die keine regulären Werte sind, Lebesgue-Maß 0.

Beweis: Siehe [Sar42].

Um das Analogon im Kontext von Abbildungen zwischen Banach-Mannigfaltigkeiten formulieren zu können, benötigen wir den folgenden Begriff, welcher ein Analogon der Mengen mit Lebesgue-Maß 0 ist.

Definition 4.7.2 Sei 𝑋 ein topologischer Raum. Eine Teilmenge 𝑈𝑋 heißt mager (in 𝑋), wenn 𝑈 eine abzählbare Vereinigung von Mengen ist, die in keiner offenen, nicht-leeren Menge dicht sind. Ein Komplement einer mageren Menge heißt fett. Elemente in einer fetten Menge nennen wir auch generisch.

In gewisser Weise sind Mengen, die mager in einem Raum sind, „klein“, da sie „kleine“ Vereinigungen „kleiner“ Teilmengen sind. Im Kontext von Abbildungen zwischen Banach-Mannigfaltigkeiten kann nun das folgende Analogon zu Theorem 4.7.1 gefunden werden.

Theorem 4.7.3 Seien 𝑋,𝑌 glatte Banach-Mannigfaltigkeiten und 𝑓𝐶𝑘(𝑋,𝑌) eine Fredholm-Abbildung mit 𝑘>max(ind(𝑓),0). Dann ist die Menge der Punkte in 𝑌, die keine regulären Werte sind, mager. Die Menge der regulären Werte in 𝑌 ist fett. Wir sagen daher, dass 𝑓1(𝑦) für fast alle 𝑦𝑌 eine glatt eingebettete Untermannigfaltigkeit von 𝑋 ist.

Beweis: Siehe [Sma65].

Das Differential der Seiberg-Witten-Abbildung ergibt sich wie folgt.

Lemma 4.7.4 Sei 𝜕𝐴0+:𝐻2(𝑆+)𝐻1(𝑆) der zu 𝐴0 gehörige positive Dirac-Operator, Ω+𝐴0Ω+2(𝑀,𝑖) der selbstduale Anteil der lokalen Krümmungsform zu 𝐴0 sowie 𝜔𝜑 die 2-Form wie in Gl. (4.5). Sei außerdem 𝒜︀𝐻2(𝑆(𝑇𝑀𝑖)). Dann ist das Differential der Seiberg-Witten-Abbildung

𝒮︀𝒲︀:𝒜︀𝐻1(𝑆(Λ+2𝑇𝑀𝑖))(𝜑,𝑎)(𝜕𝐴0+𝜑+12𝑎𝜑Ω+𝐴0+𝑑+𝑎𝜔𝜑)

an einer Stelle (𝜑,𝑎)𝒜︀ gegeben durch

(𝐷𝒮︀𝒲︀)(𝜑,𝑎)(𝜑𝑎)=(𝜕𝐴0+𝜑+12𝑎𝜑+12𝑎𝜑𝑑+𝑎𝜔𝜑,𝜑).

Dabei ist 𝜔𝜑,𝜑𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖) gegeben durch

𝜔𝜑,𝜑(𝑋,𝑌)𝑋𝑌𝜑,𝜑𝑋𝑌𝜑,𝜑+𝑔(𝑋,𝑌)(𝜑,𝜑𝜑,𝜑).

Beweis: Wir betrachten in 𝒜︀ die Kurve

𝛾:𝑡(𝜑+𝑡𝜑,𝑎+𝑡𝑎)𝒜︀.

Es gilt

dd𝑡|𝑡=0𝜔𝜑+𝑡𝜑(𝑋,𝑌)=dd𝑡|𝑡=0𝑋𝑌(𝜑+𝑡𝜑),𝜑+𝑡𝜑+𝑔(𝑋,𝑌)|𝜑+𝑡𝜑|2=𝑋𝑌𝜑,𝜑+𝑋𝑌𝜑,𝜑+𝑔(𝑋,𝑌)𝜑,𝜑+𝑔(𝑋,𝑌)𝜑,𝜑=𝑋𝑌𝜑,𝜑+𝑌𝑋𝜑,𝜑+𝑔(𝑋,𝑌)(𝜑,𝜑+𝜑,𝜑)=𝑋𝑌𝜑,𝜑𝑋𝑌𝜑,𝜑+𝑔(𝑋,𝑌)(𝜑,𝜑𝜑,𝜑)𝜔𝜑,𝜑(𝑋,𝑌).

Somit ergibt sich

(𝐷𝒮︀𝒲︀)(𝜑,𝑎)(𝜑𝑎)=(𝜕𝐴0+𝜑+12𝑎𝜑+12𝑎𝜑𝑑+𝑎𝜔𝜑,𝜑).

Theorem 4.7.5 Sei 𝐴Ω1(𝑃1,𝔤) eine Zusammenhangsform auf 𝑃1 sowie 𝜕𝐴±:𝑆±𝑆 der zu 𝐴 gehörige positive bzw. negative Dirac-Operator und 𝜎𝐻𝑘(𝑆±) eine Lösung der Dirac-Gleichung, d. h. 𝜕𝐴±𝜎=0. Dann kann 𝜎 auf einer beliebigen offenen Menge nur verschwinden, wenn 𝜎 identisch null ist. Dies ist bekannt als das Unique Continuation Theorem.

Beweis: Siehe [Aro56].

Schließlich erhalten wir das folgende Theorem.

Theorem 4.7.6 Sei 𝑏+(𝑀)>0 und

𝑛𝑐12(𝑃1)[𝑀]2𝜒(𝑀)3𝜎(𝑀)4.

Dann existiert ein affiner Unterraum von 𝐻2(Λ+2𝑇𝑀𝑖) der Dimension 𝑏+(𝑀), sodass die Menge der 2-Formen 𝜂𝐻2(Λ+2𝑇𝑀𝑖) in diesem Unterraum, die die folgende Eigenschaft erfüllen, fett ist.

  1. Im Fall 𝑛0 ist ℳ︀𝑃1,𝜂,0 eine Mannigfaltigkeit der Dimension

    dim(ℳ︀𝑃1,𝜂,0)=𝑛+1

    und ℳ︀𝑃1,𝜂 eine Mannigfaltigkeit der Dimension

    dim(ℳ︀𝑃1,𝜂)=𝑛.
  2. Im Fall 𝑛<0 gilt ℳ︀𝑃1,𝜂,0=ℳ︀𝑃1,𝜂=.

Beweis: Wir definieren die Abbildung

ℱ︀:ℬ︀0×𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖)𝐻1(𝑆(Λ+2𝑇𝑀𝑖))([(𝜑,𝑎)],𝜂)(𝜕𝐴0+𝜑+12𝑎𝜑,Ω+𝐴0+𝑑+𝑎𝜔𝜑𝜂).

Dabei ist 𝑑+pr+𝑑:𝐻2(𝑇𝑀𝑖)𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖) definiert wie in Beispiel 4.5.11. Das Differential dieser Abbildung ist gemäß Lemma 4.7.4 gegeben durch

(𝑑ℱ︀)([(𝜑,𝑎)],𝜂)(𝜑𝑎𝜂)=(𝜕𝐴0+𝜑+12𝑎𝜑+12𝑎𝜑𝑑+𝑎𝜔𝜑,𝜑𝜂).

Wir wollen zuerst zeigen, dass 𝑑ℱ︀ an Stellen ([(𝜑,𝑎)],𝜂)ℱ︀1({0}) mit 𝜑0 surjektiv ist. Da 𝜂 beliebig gewählt werden kann, ist die Abbildung in der zweiten Komponente des Bildes surjektiv. Sei nun 𝜎𝐻1(𝑆) orthogonal zur ersten Komponente des Bildes. Da der positive Dirac-Operator formal adjungiert zum negativen Dirac-Operator ist, ist 𝜎 Lösung der Gleichung 𝜕𝐴0𝜎+12𝑎𝜎=0. Genauso ist 𝜑 eine Lösung der Gleichung 𝜕𝐴0+𝜑+12𝑎𝜑=0 und nach Voraussetzung ungleich null. Wir nehmen nun an, dass 𝜎0 gilt. Sei 𝑥0𝑀 ein beliebiger Punkt in 𝑀 und 𝑈𝑀 eine offene Umgebung um 𝑥0. Gemäß dem Unique Continuation Theorem verschwinden sowohl 𝜑 als auch 𝜎 nicht auf 𝑈. Außerdem ist 𝑎𝑎𝜑 punktweise injektiv (da 𝑎𝑎𝜑=|𝑎|2𝜑 gilt) und somit auch surjektiv, da die Vektorbündel Λ1𝑇𝑀,𝑆 denselben Rang (über ) haben. Es existiert demnach ein 𝑎(𝑇𝑀𝑖)𝑥0, sodass

Re(𝑎𝜑(𝑥0),𝜎(𝑥0))>0

gilt. Wir setzen 𝑎 glatt zu einer 1-Form auf 𝑀 mit

Re(𝑎𝜑(𝑥),𝜎(𝑥))>0für alle𝑥𝑈

und 𝑎(𝑥)=0 für alle 𝑥𝑀\𝑈 fort. Dann gilt

𝑀Re(𝑎𝜑,𝜎)dvol𝑔>0

und somit ist 𝜎 nicht orthogonal zur ersten Komponente des Bildes von (𝑑ℱ︀)([(𝜑,𝑎)],𝜂), was ein Widerspruch ist und die Surjektivität von 𝑑ℱ︀ zeigt. Gemäß dem Satz vom regulären Wert ist daher

𝒩︀{[(𝜑,𝑎)]ℬ︀0,𝜂𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖)|(𝜑,𝑎,𝜂)erfüllenGl. (4.6),𝜑0}

eine glatt eingebettete Untermannigfaltigkeit von ℬ︀0×𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖). Der Tangentialraum an einen Punkt ([(𝜑,𝑎)],𝜂)𝒩︀ ist

𝑇([(𝜑,𝑎)],𝜂)𝒩︀={(𝜑,𝑎,𝜂)𝒜︀×𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖)|𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂)(𝜑,𝑎)=(0,𝜂,0)}

wobei die Abbildung 𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂) gegeben ist durch

𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂):𝐻2(𝑆+(𝑇𝑀𝑖))𝐻1(𝑆(Λ+2𝑇𝑀𝑖))𝐻̃1(𝑀,𝑖)(𝜑,𝑎)(𝜕𝐴0+𝜑+12𝑎𝜑+12𝑎𝜑,𝑑+𝑎𝜔𝜑,𝜑,𝛿𝑎).

Dabei ist 𝐻̃1(𝑀,𝑖) der Hilbertraum der 𝑖-wertigen Funktionen auf 𝑀, die zu Null integrieren. Da der positive Dirac-Operator gemäß Proposition 4.5.17 bzw. der Operator 𝑑+𝛿 gemäß Beispiel 4.5.11 jeweils ein elliptischer Operator der Ordnung eins ist und die ergänzenden Terme von Ordnung null sind, ist 𝐿[(𝜑,𝑎)],𝜂 gemäß Bemerkung 4.1.6 ein elliptischer Operator und somit ist die Fortsetzung auf den jeweiligen Sobolev-Räumen gemäß Lemma 4.5.6 ein Fredholm-Operator. Wir definieren anschließend die Projektion

𝜋:𝒩︀([(𝜑,𝑎)],𝜂)𝜂𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖).

Das Differential von 𝜋:𝒩︀𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖) ist gegeben durch

𝑑𝜋([(𝜑,𝑎)],𝜂):𝑇([(𝜑,𝑎)],𝜂)𝒩︀𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖)(𝜑,𝑎,𝜂)𝜂.

Wir wollen zeigen, dass 𝜋 eine Fredholm-Abbildung ist. Der Kern von 𝑑𝜋 ist offenbar gleich dem Kern von 𝐿 und für das Bild von 𝑑𝜋 gilt

im(𝑑𝜋([(𝜑,𝑎)],𝜂))={𝜂𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖)|(𝜑,𝑎)𝒜︀:𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂)(𝜑,𝑎)=(0,𝜂,0)}.

In einem Versuch, nicht verrückt zu werden, kürzen wir wie folgt ab:

𝐵{0}𝐻1(Λ+2𝑇𝑀𝑖){0}

Dann gilt

codimim(𝑑𝜋([(𝜑,𝑎)],𝜂))=dim((im𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂)𝐵)𝐵)=dim(((im𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂))+𝐵)𝐵).

Falls wir nun zeigen können, dass

(im𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂))𝐵={0}

gilt, ist die Summe in Gl. (4.8) eine direkte Summe. In diesem Fall folgt aus der endlichen Kodimension von dem Bild von 𝐿 und der Abgeschlossenheit von 𝐵

(im𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂))𝐵=(im𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂))𝐵.

Somit gilt

codimim(𝑑𝜋([(𝜑,𝑎)],𝜂))=dim(((im𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂))𝐵)𝐵)=dim(pr𝐵((im𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂))))=dim((im𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂))).

Dabei ist pr𝐵:𝐵𝐵𝐵 die Projektion auf 𝐵 in 𝐵𝐵. Um Gl. (4.9) zu beweisen, gehen wir wie folgt vor. Sei (𝜎,0,𝑢)(𝐻1(𝑆)×{0}×𝐻̃1(𝑀,𝑖))) orthogonal zum Bild von 𝐿([(𝜑,𝑎)],𝜂). Dann gilt 𝜕𝐴0𝜎+12𝑎𝜎=0 und

12𝑎𝜑,𝜎=𝛿𝑎,𝑢

für alle 𝑎𝐻2(𝑇𝑀𝑖). Bezüglich einer festen 1-Form 𝑎𝐻2(𝑇𝑀𝑖) definieren wir eine 1-Form 𝑏𝐻2(𝑇𝑀𝑖) durch

𝑏,𝑎=12𝑎𝜑,𝜎.

Da 𝜕𝐴0+𝜑+12𝑎𝜑=0 und 𝜕𝐴0𝜎+12𝑎𝜎=0 gilt, folgt aus Gl. (4.5) aus Beweis zu Proposition 3.4.19, dass 𝛿𝑏=0 für alle 𝑎 gilt. Somit gilt auch für 𝑎=𝑏

𝑏,𝑏=12𝑏𝜑,𝜎=𝛿𝑏,𝑢=0𝑏=012𝑎𝜑,𝜎=0.

Da dies für alle 𝑎𝐻2(𝑇𝑀𝑖) gilt und 𝜑 ungleich null ist, folgt erneut aus dem Unique Continuation Theorem 𝜎=0. Mittels Gl. (4.10) und der Surjektivität von 𝛿:𝐻2(𝑇𝑀𝑖)𝐻̃1(𝑀,𝑖) folgt auch 𝑢=0, was Gl. (4.9) zeigt. Somit haben wir gezeigt, dass

codimim(𝑑𝜋([(𝜑,𝑎)],𝜂))=codim(im𝐿[(𝜑,𝑎)],𝜂)

gilt und 𝜋 eine Fredholm-Abbildung mit ind(𝜋)=ind(𝐿) ist. Gemäß Theorem 4.7.3 können wir 𝜂𝐻2(Λ+2𝑇𝑀𝑖) generisch wählen, sodass 𝜋1(𝜂) gemäß Proposition 4.5.3 eine endlich-dimensionale Untermannigfaltigkeit von 𝒩︀ ist. Die Dimension von 𝜋1(𝜂) ist dann

dim(𝜋1(𝜂))=ind(𝜋)=ind(𝐿)=ind(𝜕𝐴+𝑑+𝛿)+1.

Bzw. 𝜋1(𝜂) ist leer, wenn die erwartete Dimension negativ ist. Dabei haben wir gemäß Lemma 4.5.6 Terme kleinerer Ordnung als das Hauptsymbol vernachlässigt. Wir müssen außerdem den Index von 𝐿 um eins erhöhen, da das Bild von 𝐿 im Gegensatz zu Korollar 4.5.12 nur aus den Funktionen 𝐻̃1(𝑀,𝑖) besteht, die zu null integrieren. Da 𝑏+(𝑀)>0 gilt, können wir 𝜂Ω+2(𝑀,𝑖) gemäß Korollar 4.5.13 in einem Unterraum von Ω+2(𝑀,𝑖) der Dimension 𝑏+(𝑀) wählen, sodass keine Lösungen von Gl. (4.6) mit 𝜑=0 existieren. Somit ist ℳ︀𝑃1,𝜂,0 eine Mannigfaltigkeit der Dimension

dim(ℳ︀𝑃1,𝜂,0)=dim(𝜋1(𝜂))+1=14(𝑐12(𝑃1)𝜎(𝑀))𝑏0(𝑀)+𝑏1(𝑀)𝑏+(𝑀)+1=𝑐12(𝑃1)[𝑀]2𝜒(𝑀)3𝜎(𝑀)4+1.

Bzw. ℳ︀𝑃1,𝜂,0 ist leer, wenn die erwartete Dimension negativ ist. Dabei haben wir in der letzten Zeile Korollar 4.2.5 verwendet. Im Fall 𝑏+(𝑀)>0 ist die Wirkung der konstanten Eichtransformationen auf ℳ︀𝑃1,𝜂,0 frei und eigentlich (da die Gruppe der konstanten Eichtransformationen kompakt ist) und somit bildet in diesem Fall der Modulraum der perturbierten Seiberg-Witten-Gleichungen eine Mannigfaltigkeit der Dimension

dim(ℳ︀𝑃1,𝜂)=dim(ℳ︀𝑃1,𝜂,0)1

5. Fazit

Nachdem wir in dieser Arbeit eine Einführung in Begriffe der mathematischen Eichtheorie und Spinorgeometrie gegeben hatten, formulierten wir darauf aufbauend die Seiberg-Witten-Gleichungen für eine Riemannsche 4-Mannigfaltigkeit. Wir zeigten, dass der Seiberg-Witten-Modulraum einer kompakten, einfach zusammenhängenden, Riemannschen 4-Mannigfaltigkeit 𝑀 mit 𝑏+(𝑀)>0 eine kanonische Struktur als endlich-dimensionale Mannigfaltigkeit trägt. Wir berechneten die Dimension dieser Mannigfaltigkeit, welche sich gemäß einer verallgemeinerten Version des Satzes vom regulären Wert für Banach-Mannigfaltigkeiten aus dem Fredholm-Index des positiven Dirac-Operators und der Euler-Charakteristik eines elliptischen Komplexes ergab. Für die Berechnung des Fredholm-Index des Dirac-Operators nutzten wir einen Spezialfall des Atiyah-Singer-Indexsatzes und wir erhielten insgesamt

dim(ℳ︀𝑃1,𝜂)=𝑐12(𝑃1)[𝑀]2𝜒(𝑀)3𝜎(𝑀)4.

Ein nächster Schritt im Hinblick auf die Konstruktion der in der Einleitung erwähnten Seiberg-Witten-Invariante besteht darin, die Kompaktheit und Orientierbarkeit des Modulraums zu zeigen. Dabei muss der Modulraum nicht kompaktifiziert werden, was die Seiberg-Witten-Theorie im Vergleich zu anderen Theorien, wie z. B. der in der Einleitung erwähnten Donaldson-Theorie, zu einer analytisch einfacher behandelbaren Theorie macht. Darüber hinaus eröffnet die verwendete Methode einen Zugang zum Atiyah-Singer-Indexsatz, dessen Verständnis durch eine Auseinandersetzung mit der Sprache der K-Theorie, beispielsweise mit Hilfe von [Ati18] oder [Sri96], weiter vertieft werden kann. Für den Indexsatz existiert außerdem eine Verallgemeinerung auf Riemannsche Mannigfaltigkeiten mit Rand, siehe [APS75]. Ein Analogon dieses Satzes für den Dirac-Operator einer kompakten, global hyperbolischen Lorentzmannigfaltigkeit, deren Rand aus raumartigen Cauchy-Flächen besteht, wurde in [BS19] gefunden. Dieses Resultat überträgt die Theorie der Indexsätze auf Lorentzmannigfaltigkeiten und damit auf geometrische Strukturen, wie sie in der relativistischen Physik zur Modellierung von Raumzeiten auftreten.

Bibliografie

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Selbstständigkeitserklärung

Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und noch nicht für andere Prüfungen eingereicht habe. Sämtliche Quellen einschließlich Internetquellen, die unverändert oder abgewandelt wiedergegeben werden, insbesondere Quellen für Texte, Grafiken, Tabellen, Bilder sowie die Nutzung von generativer Künstlicher Intelligenz für die Erstellung von Texten und Abbildungen, sind als solche kenntlich gemacht. Mir ist bekannt, dass bei Verstößen gegen diese Grundsätze ein Verfahren wegen Täuschungsversuchs bzw. Täuschung eingeleitet wird.