1. Einleitung
S. K. Donaldson führte Anfang der 80er Jahre eine auf eichtheoretischen Methoden beruhende Methode zur Untersuchung -dimensionaler glatter Mannigfaltigkeiten ein [Don83]. Dabei wird einer solchen Mannigfaltigkeit eine Teilmenge des Lösungsraums der Yang-Mills-Gleichung bezüglich der Eichgruppe 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 -Mannigfaltigkeiten nicht mit einer differenzierbaren Struktur versehen werden können. Etwa ein Jahrzehnt danach erkannte E. Witten [Wit94], dass Überlegungen zu supersymmetrischen 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 -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 -Mannigfaltigkeit mit 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 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 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. -Struktur sowie den Dirac-Operator einer semi-Riemannschen Spin- bzw. -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 -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 , 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
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.
Die Gruppen und mit den kanonischen Strukturen als Untermannigfaltigkeiten von bzw. sind Lie-Gruppen, da die Multiplikation und die Abbildung auf das Inverse in jedem Eintrag polynomiell und somit glatt sind.
Aus dem nächsten Lemma folgt, dass die Sphäre zusammen mit der komplexen Multiplikation als abgeschlossene Untergruppe der Lie-Gruppe 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 -Gruppen konstruieren.
Lemma 2.1.3
Jede abgeschlossene Untergruppe einer Lie-Gruppe ist selbst wieder eine Lie-Gruppe.
Sind Lie-Gruppen, so ist ihr Produkt als Produktmannigfaltigkeit zusammen mit der komponentenweisen Multiplikation wieder eine Lie-Gruppe.
Ist eine abgeschlossene Untergruppe des Zentrums einer Lie-Gruppe , d. h. alle Elemente in kommutieren mit allen Elementen in , dann besitzt die Menge aller Linksnebenklassen
eine eindeutige Struktur als Lie-Gruppe, sodass die Projektionsabbildung 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 und als Untergruppen von bzw. , als Untergruppe von 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 aber auch die -Gruppe, welche wir auch in Kapitel 3 einführen werden.
Definition 2.1.5 Seien Lie-Gruppen. Ein Lie-Gruppen-Homomorphismus ist ein Gruppenhomomorphismus , welcher gleichzeitig eine glatte Abbildung ist. Wenn zusätzlich ein Diffeomorphismus ist, heißen und isomorph.
Beispiel 2.1.6 Die Lie-Gruppen und sind isomorph. In der mathematischen Literatur wird meist die Schreibweise bevorzugt, da ein Element auf natürliche Weise als Endomorphismus eines komplexen Vektorraums per Multiplikation betrachtet werden kann. In der physikalischen Literatur wird andererseits meist die Schreibweise 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 Lie-Gruppen sind und ein stetiger Gruppenhomomorphismus ist, dann ist 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 eine Lie-Gruppe. Die Gruppenmultiplikation induziert für alle die Links- und Rechtstranslation mit , d. h.
Die Inversen zu bzw. sind bzw. . 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 ist bijektiv. Die inverse Abbildung ordnet jedem Tangentialvektor an das linksinvariant-verschobende Vektorfeld zu, d. h.
Es ist daher nützlich, mit dem Tangentialraum an der Identität zu identifizieren. Die Menge 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 eine Lie-Gruppe und ihre Lie-Algebra. Für bezeichnen wir mit die Konjugation mit a und mit
die adjungierte Darstellung von .
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 abelsch ist, dann ist die Lie-Klammer auf trivial und für alle gilt und damit auch .
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 eine Lie-Gruppe und ihre Lie-Algebra. Die maximale Integralkurve zu durch ist auf ganz definiert.
Beweis: Siehe [Bau14].
Definition 2.1.13 Die Lie-Gruppen Exponentialabbildung von ist definiert als Auswertung zum Zeitpunkt der maximalen Integralkurve vom linksinvarianten Vektorfeld durch , d. h.
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 Lie-Gruppen sind, ein Lie-Gruppen-Homomorphismus und die Lie-Algebra von ist, dann gilt für alle
Im Fall einer Matrix-Lie-Gruppe, also einer Lie-Gruppe, die eine Untergruppe von ist, vereinfachen sich die zuvor eingeführten Strukturen wie folgt.
Bemerkung 2.1.15 Sei eine Lie-Gruppe. Die Lie-Algebra von kann als Untervektorraum von aufgefasst werden, und die Algebrastruktur von ist genau durch den Kommutator zwischen Matrizen gegeben, d. h.
Außerdem stimmt die Exponentialabbildung in diesem Fall mit dem üblichen Matrixexponential überein:
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 mit Signatur auf . Das nächste Beispiel beschäftigt sich mit dieser Lie-Gruppe.
Beispiel 2.1.16 Sei die Lorentz-Gruppe und ihre Lie-Algebra. Vermöge der Identifikation von mit einem Untervektorraum von ist eine Menge von Generatoren gegeben durch
Die Generatoren erfüllen außerdem für die Kommutationsrelationen
Dabei ist die eindeutige antisymmetrische Abbildung mit bzw. . Unter der Exponentialabbildung erzeugen die Generatoren räumliche Drehungen und die Generatoren 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 eine Lie-Gruppe und ihre Lie-Algebra. Die Maurer-Cartan-Form von ist die Abbildung
welche einem Tangentialvektor an dessen linksinvariante Fortsetzung zuordnet.
2.2. Hauptfaserbündel
Sei im Folgenden immer eine Lie-Gruppe und eine Mannigfaltigkeit. Faserbündel notieren wir als 4-Tupel , wobei die Projektion und der Fasertyp ist. Wenn die Projektion klar ist, kürzen wir mit 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 von auf einer Mannigfaltigkeit heißt einfach transitiv, wenn für alle genau ein mit existiert.
Definition 2.2.2 Ein -Hauptfaserbündel (-HFB) ist ein Faserbündel , dessen Fasertyp eine Lie-Gruppe ist, sodass eine glatte Rechtswirkung von auf gegeben ist, die fasertreu und einfach transitiv in jeder Faser operiert.
wirkung von auf .
wird auch Strukturgruppe des -HFB oder im physikalischen Kontext auch Symmetriegruppe genannt. Für und notieren wir die Rechtswirkung mit oder auch nur mit . Wie im Abschnitt zu Lie-Gruppen lassen sich auch für -HFB einige wichtige Beispiele anführen. Zuerst benötigen wir jedoch das folgende Lemma zur Konstruktion von Hauptfaserbündeln.
Lemma 2.2.3 Sei eine Menge, eine Abbildung, eine offene Überdeckung von zusammen mit Abbildungen , die erfüllen. Alle Abbildungen
seien von der Form mit glatten . Dann existiert genau eine Struktur als glatte Mannigfaltigkeit auf , sodass ein Faserbündel mit Bündelkarten wird. Durch die Rechtswirkung von auf die zweite Komponente in kann die Rechtswirkung
von auf definiert werden, mit welcher ein -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
Das Basenbündel von ist das -HFB, dessen Faser über
aus der Menge der Basen von besteht. Wir definieren die Menge
und die Abbildung . Ein Atlas von induziert Abbildungen , sodass die Abbildungen durch gegeben sind und somit glatt sind. Gemäß Lemma 2.2.3 ist ein -HFB mit der Rechtswirkung gegeben durch
Wenn ein -Vektorbündel von Rang über ist, können wir das -HFB definieren, dessen Faser über aus den Basen von besteht. Ein Bündelatlas von induziert Abbildungen , sodass die Abbildungen durch glatte gegeben sind. Gemäß Lemma 2.2.3 ist mit der Rechtswirkung
ein -HFB, das Basenbündel von .
Wenn eine Metrik der Signatur auf gegeben ist, kann das Orthonormalbasenbündel
definiert werden. Eine -Orthonormalbasis über ist dabei eine Basis , sodass gilt und die Metrik auf dem Spann der ersten -Basisvektoren negativ definit ist. Die Strukturgruppe dieses Bündels ist die orthonormale Gruppe .
Wenn eine Metrik der Signatur auf gegeben, orientierbar und eine Orientierung vorgegeben ist, kann das spezielle Orthonormalbasenbündel
definiert werden. Die Strukturgruppe dieses Bündels ist die spezielle orthonormale Gruppe .
Wenn in der Situation des vierten Beispiels die Metrik auf die Signatur trägt, entspricht die physikalische Interpretation der -Wirkung auf den Fasern der Transformation zwischen Bezugssystemen mittels Lorentztransformationen.
Wir benötigen außerdem den Begriff einer Eichtransformation eines -HFB, welcher ein Spezialfall eines Isomorphismus zwischen -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 und zwei -HFB. Eine Abbildung heißt HFB-Isomorphismus, wenn ein fasertreuer Diffeomorphismus ist, der zusätzlich -äquivariant ist, d. h.
Definition 2.2.6 Eine Eichtransformation von ist ein HFB-Isomorphismus . Mit anderen Worten: eine Eichtransformation ist ein fasertreuer Diffeomorphismus , welcher -äquivariant ist, d. h.
Wir bezeichnen mit die Gruppe der Eichtransformationen von . Da die Rechtswirkung von auf einfach-transitiv in jeder Faser ist, können wir außerdem jeder Eichtransformation bijektiv ein Element in der Menge
durch die Bedingung für alle 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 ein -HFB über , eine weitere Lie-Gruppe sowie ein Lie-Gruppen-Homomorphismus. Eine -Reduktion von ist ein Tupel , sodass
ein -Hauptfaserbündel über ist und
eine fasertreue, -äquivariante Abbildung ist, d. h. es gilt
Wir sagen auch, dass die Strukturgruppe des -Hauptfaserbündels entlang von auf reduziert wird. Wenn der Kontext klar ist, bezeichnen wir eine -Reduktion auch als -Struktur auf .
Beispiel 2.2.8
Wenn eine semi-Riemannsche Metrik der Signatur auf ist und das Orthonormalbasenbündel zu ist, dann definiert die Inklusion
eine Reduktion der Strukturgruppe des Basenbündels von auf .
Wenn zusätzlich eine Orientierung trägt und das spezielle Orthonormalbasenbündel zu ist, dann definiert die Inklusion
eine Reduktion der Strukturgruppe des Basenbündels von auf .
Bemerkung 2.2.9 Ist andersherum eine Reduktion der Strukturgruppe des Basenbündels von auf , so definieren wir die Basen in , die im Bild
von liegen, als Orthonormalbasen. Dies liefert eine wohldefinierte Bündelmetrik, da zwei verschiedene Orthonormalbasen über eine orthonormale Transformation verbunden sind, was aus
folgt. In diesem Sinne ist die Wahl einer semi-Riemannschen Metrik auf äquivalent zur Wahl einer Reduktion der Strukturgruppe des Basenbündels von auf .
Ein weiteres Beispiel ist der Begriff der Spin- bzw. -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 eine Mannigfaltigkeit und eine Lie-Gruppe. Sei außerdem ein -HFB über .
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 eine Mannigfaltigkeit und eine Linkswirkung von auf . Definiere auf dem Produkt die Äquivalenzrelation
Den Quotienten bezüglich dieser Relation notieren wir als
Setze , wobei die Projektion in ist. Dann existiert genau eine Struktur auf , sodass ein Faserbündel mit Fasertyp wird. Dies bezeichnen wir als das zu und der Wirkung von auf 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
Wenn ein reeller oder komplexer Vektorraum ist und eine Darstellung von auf ist, dann definiert
eine Linkswirkung von auf . Auf dem assoziierten Faserbündel definieren wir für alle und eine Vektorraumstruktur auf der Faser über , sodass die Abbildung
ein Vektorraumisomorphismus wird. Die so definierte Vektorraumstruktur auf ist unabhängig von der Wahl des Punktes , da für eine lineare Abbildung ist. Das so definierte Vektorbündel nennen wir das zu und der Darstellung von auf assoziierte Vektorbündel und wir schreiben
Wenn eine Lie-Gruppe und ein Lie-Gruppen-Homomorphismus ist, dann definiert
eine Linkswirkung von auf . Auf dem assoziierten Faserbündel definieren wir die Rechtswirkung
Diese Wirkung ist fasertreu und einfach transitiv in jeder Faser und somit bildet ein -HFB. Dies nennen wir das zu und assoziierte Hauptfaserbündel und schreiben
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
Beispiel 2.3.4 Sei
isomorph. Um dies einzusehen, definieren wir einen Vektorbündelisomorphismus durch
Ist
Um in Kapitel 3 die Clifford-Multiplikation definieren zu können, benötigen wir das folgende Lemma.
Lemma 2.3.5 Sei
Beweis: Ein Faserbündelisomorphismus ist gegeben durch
Die Abbildung
gilt. Die Abbildung ist außerdem nach Definition linear auf jeder Faser. Sie ist zusätzlich fasertreu (da
Nun bleibt zu zeigen, dass die Abbildung injektiv ist. Seien
Demnach gilt
Insgesamt ist
2.4. Zusammenhänge und Krümmung in Hauptfaserbündeln
Sei weiterhin
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
An jedem Punkt
definieren wir den vertikalen Tangentialraum𝑝 ∈ 𝑃 als den Teilraum des Tangentialraums an𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 , der tangential an die Faser𝑝 ∈ 𝑃 ist, d. h.𝑃 𝜋 ( 𝑝 ) 𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 ≔ ker ( 𝑑 𝜋 𝑝 ) = { 𝑋 ∈ 𝑇 𝑝 𝑃 | d 𝜋 ( 𝑋 ) = 0 } ≅ 𝑇 𝑝 ( 𝑃 𝜋 ( 𝑝 ) ) . Solche
nennen wir vertikal.𝑋 ∈ 𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 Die Rechtswirkung von
auf𝐺 induziert für alle𝑃 einen Isomorphismus𝑝 ∈ 𝑃 mit𝔤 ≅ 𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 𝔤 ∋ 𝑋 ↦ 𝑋 ̃ 𝑝 ≔ d d 𝑡 | 𝑡 = 0 ( 𝑝 exp ( 𝑡 𝑋 ) ) ∈ 𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 . Wir nennen
das vertikale Vektorfeld zu𝑋 ̃ : 𝑝 ↦ 𝑋 ̃ 𝑝 .𝑋 ∈ 𝔤 Die Wahl eines weiteren Unterraums
, der den vertikalen Tangentialraum𝑇 𝑝 ℎ 𝑃 zu𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 ergänzt, d. h.𝑇 𝑝 𝑃 𝑇 𝑝 𝑃 = 𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 ⊕ 𝑇 𝑝 ℎ 𝑃 , nennen wir einen horizontalen Tangentialraum an
.𝑝 ∈ 𝑃 Ein Zusammenhang auf
ist eine glatt-variierende Wahl𝑃 von solchen horizontalen Tangentialräumen auf ganzℋ︀ , die𝑃 -invariant ist, d. h.𝐺 ( 𝑅 𝑔 ) ∗ ℋ︀ 𝑝 = ℋ︀ 𝑝 𝑔 . 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
mit Werten in der Lie-Algebra
für alle( 𝑅 𝑔 ) ∗ 𝐴 = Ad 𝑔 − 1 ∘ 𝐴 , und𝑔 ∈ 𝐺 für alle vertikalen Vektorfelder𝐴 ( 𝑋 ̃ ) = 𝑋 , definiert wie in Definition 2.4.1.𝑋 ̃
Die Menge der Zusammenhangsformen auf
Bemerkung 2.4.3 Die Angabe eines Zusammenhangs auf
Wenn
eine Zusammenhangsform auf𝐴 ist, definieren wir einen Zusammenhang auf𝑃 durch𝑃 ℋ︀ ≔ ker ( 𝐴 ) . Wenn
ein Zusammenhang aufℋ︀ ist, definieren wir eine Zusammenhangsform durch𝑃 𝐴 | 𝑇 𝑝 𝑃 ≔ pr 𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 : 𝑇 𝑝 𝑃 → 𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 ≅ 𝔤 . Dabei ist
der Isomorphismus aus Definition 2.4.1.𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 ≅ 𝔤
Wir wollen nun folgern, dass auf jedem
Beispiel 2.4.4 Wenn
Dabei ist
Mit dieser Definition können wir nun die folgende Proposition zur Existenz einer Zusammenhangsform auf
Proposition 2.4.5 Auf
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
Sei
ein Vektorraum. Das absolute Differential ist𝑉 𝐷 𝐴 : Ω 𝑘 ( 𝑃 , 𝑉 ) ∋ 𝜔 ↦ 𝑑 𝜔 ( pr ℋ︀ ⋅ , … , pr ℋ︀ ⋅ ⏟ 𝑘 + 1 ) ∈ Ω 𝑘 + 1 ( 𝑃 , 𝑉 ) . Die Krümmungsform zu
ist𝐴 𝐹 𝐴 ≔ 𝐷 𝐴 𝐴 ∈ Ω 2 ( 𝑃 , 𝔤 ) .
Satz 2.4.7 Sei
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
2.5. Kontravariante Darstellungen und die lokale Krümmungsform
Sei wieder
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
horizontal, falls
auf vertikalen Vektoren verschwindet, d. h.𝜔 𝜔 𝑝 ( 𝑋 1 , … , 𝑋 𝑖 , … , 𝑋 𝑘 ) = 0 falls 𝑋 𝑖 ∈ 𝑇 𝑝 𝑣 𝑃 . vom Typ
oder𝜌 -äquivariant, falls für alle𝜌 gilt𝑔 ∈ 𝐺 ( 𝑅 𝑔 ) ∗ 𝜔 = 𝜌 ( 𝑔 − 1 ) ∘ 𝜔 .
Wir bezeichnen die Menge der
Elemente in
Beispiel 2.5.2 Die Zusammenhangsform
Satz 2.5.3 Sei
welche definiert ist durch die Eigenschaft, dass für alle
Beweis: Siehe Satz 10.1. in [Sch24] oder Satz 3.5 in [Bau14].
Proposition 2.5.4 Wenn
Beweis: Siehe Proposition 9.4. in [Sch24].
Korollar 2.5.5 Die Krümmungsform zu
Definition 2.5.6 Das adjungierte Bündel ist
Definition 2.5.7 Sei
Dies nennen wir die lokale Krümmungsform zu
Bemerkung 2.5.8 Die Differenz zweier Zusammenhänge auf
eine Zusammenhangsform auf P. Die Menge der Zusammenhangsformen auf
Satz 2.5.9 Für
Beweis: Siehe [Sch24].
2.6. Induzierte Zusammenhänge auf assoziierten Vektorbündeln
Sei wieder
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
Definition 2.6.2 Der durch
Proposition 2.6.3
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
Lemma 2.6.4 Sei
Dann gilt für den durch
Beweis: Siehe [Sch24].
Lemma 2.6.5 Wenn
Dabei ist
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
Beweis: Seien
Die Behauptung folgt nun daraus, dass die Exponentialabbildung der Lie-Gruppe
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
definiert wie in Satz 2.5.3 bzw. Definition 2.6.1. Dann gelten die folgenden Aussagen.
Das adjungierte Bündel
ist trivial, d. h.Ad 𝑃 Ad 𝑃 ≅ 𝑀 × 𝔤 . Die Abbildung
ist gegeben durch𝜙 , wobei𝜙 = 𝜋 ∗ die Projektion in𝜋 : 𝑃 → 𝑀 ist.𝑃 Die Abbildung
reduziert sich zu𝑑 𝐴 für alle𝑑 𝐴 𝜔 = 𝑑 𝜔 .𝜔 ∈ Ω 𝑘 ( 𝑀 , 𝔤 ) Wenn
eine Eichtransformation ist, dann existiert eine glatte Funktion𝑓 ∈ 𝒢︀ ( 𝑃 ) mit𝜎 : 𝑀 → 𝐺 𝑓 ( 𝑝 ) = 𝑝 ⋅ ( 𝜋 ∗ 𝜎 ) ( 𝑝 ) . Die Krümmungsform
und die lokale Krümmungsform𝐹 𝐴 ∈ Ω 2 ( 𝑃 , 𝔤 ) sind invariant unter Eichtransformationen.Ω 𝐴 ∈ Ω 2 ( 𝑀 , 𝔤 )
2.7. Chern- und Pontrjagin Klassen
Sei wieder
Um in Kapitel 4 mit Hilfe des Atiyah-Singer-Indexsatzes den Index des Dirac-Operators einer
Definition 2.7.1 Wir betrachten die kommutative Algebra der symmetrischen,
Die Multiplikation ist dabei für
und lineare Fortsetzung.
Definition 2.7.2 Für
horizontal und
auf
Es kann nun gezeigt werden (siehe zum [Bau14]), dass für
unabhängig von der Wahl der Zusammenhangsform
Definition 2.7.3 Die additive Fortsetzung der Abbildung
zu einer Abbildung
Um die Chern-Klassen eines komplexen Vektorbündels zu definieren, benötigen wir außerdem den Begriff eines homogenen Polynoms.
Definition 2.7.4 Eine Abbildung
Wir schreiben
Proposition 2.7.5 Die Abbildung
ist ein Algebrenisomorphismus von
Beweis: Siehe Bemerkung 14.9 in [Sch24].
Definition 2.7.6 Für ein homogenes Polynom
Dabei ist
Wir können nun die zu einem komplexen Vektorbündel gehörigen Chern-Klassen definieren.
Definition 2.7.7 Sei
Die
Wenn
Definition 2.7.8 Sei
Die totale Pontrjagin-Klasse von
3. Spin-Geometrie mit semi-Riemannscher Signatur
Anknüpfend an Begriffe aus Kapitel 2 definieren wir in diesem Kapitel den Begriff einer Spin- bzw.
3.1. Motivation
Die Fundamentalgruppe von
Die Überlagerungsabbildung
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
Definition 3.2.2 Sei
zusammen mit dem Tensorprodukt als Multiplikation. Elemente in dieser Algebra sind endliche Summen reiner Tensoren, d. h.
In einem gewissen Sinne ist
Definition 3.2.3 Sei
besteht. Die Clifford-Algebra zu
Lemma 3.2.4 Sei
Die Einbettung von
in die Clifford-Algebra𝑉 𝛾 ≔ 𝜋 ∘ 𝑖 : 𝑉 → 𝑇 ( 𝑉 ) → Cl ( 𝑉 , 𝑞 ) ist injektiv. Wir werden daher ab nun
identifizieren.𝑉 ⊂ 𝛾 Cl ( 𝑉 , 𝑞 ) Sei
eine Basis von{ 𝑒 1 , … , 𝑒 𝑛 } ⊂ 𝑉 . Dann ist𝑉 { 𝑒 𝑗 1 ⋅ … ⋅ 𝑒 𝑗 𝑘 | 𝑘 ∈ { 1 , … , 𝑛 } , 1 ≤ 𝑗 1 < … < 𝑗 𝑘 ≤ 𝑛 } ∪ { 1 } eine Basis von
.Cl ( 𝑉 , 𝑞 ) Wenn
die zu𝑝 : 𝑉 × 𝑉 → 𝕂 gehörige symmetrische Bilinearform ist, definiert durch𝑞 für alle𝑝 ( 𝑣 , 𝑣 ) ≔ 𝑞 ( 𝑣 ) , dann gilt für alle𝑣 ∈ 𝑉 𝑥 , 𝑦 ∈ Cl ( 𝑉 , 𝑞 ) 𝑥 ⋅ 𝑦 + 𝑥 ⋅ 𝑦 = − 2 𝑝 ( 𝑥 , 𝑦 ) .
Beweis: Siehe Lemma 1.3 und Korollar 1.4 in [Sch25].
Definition 3.2.5 Sei
Dann schreiben wir
Die Algebra
Beispiel 3.2.6 Die reelle Clifford-Algebra
Dies können wir wie folgt einsehen. Gemäß Lemma 3.2.4 ist
Die so definierte Abbildung ist ein Vektorraum-Isomorphismus. Sie ist sogar ein Algebren-Isomorphismus, denn es gilt
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
Lemma 3.2.8 Sei
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
definiert. Durch lineare Fortsetzung entsteht ein Algebrenautomorphismus auf ganz
3.3. Darstellungen der Pin- und Spin-Gruppe
Sei wieder
Wir werden nun die Pin- und Spin-Gruppe als multiplikative Untergruppe der Clifford-Algebra einführen. Anschließend werden wir im Fall
Bemerkung 3.3.1 Die Clifford-Algebra
Somit existieren die folgenden Gruppen.
Definition 3.3.2
Die Pin- bzw. die Spin-Gruppe zu
ist die folgende multiplikative Untergruppe von( 𝑉 , 𝑞 ) Cl ( 𝑉 , 𝑞 ) Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) ≔ { 𝑣 1 ⋅ … ⋅ 𝑣 𝑘 | 𝑘 ∈ ℕ , ∀ 𝑖 : 𝑣 𝑖 ∈ 𝑉 , 𝑞 ( 𝑣 𝑖 ) ∈ { ± 1 } } , Spin ( 𝑉 , 𝑞 ) ≔ { 𝑣 1 ⋅ … ⋅ 𝑣 2 𝑘 | 𝑘 ∈ ℕ , ∀ 𝑖 : 𝑣 𝑖 ∈ 𝑉 , 𝑞 ( 𝑣 𝑖 ) ∈ { ± 1 } } ⊂ Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) . Die Invarianzgruppe von
ist𝑞 𝑂 ( 𝑉 , 𝑞 ) ≔ { 𝐴 : 𝑉 → 𝑉 linear | ∀ 𝑣 ∈ 𝑉 : 𝑞 ( 𝐴 𝑣 ) = 𝑞 ( 𝑣 ) } . Die spezielle Invarianzgruppe von
ist𝑞 SO ( 𝑉 , 𝑞 ) ≔ { 𝐴 ∈ 𝑂 ( 𝑉 , 𝑞 ) | det ( 𝐴 ) = 1 } .
Wie angekündigt, werden wir nun feststellen, dass mit dieser Definition der Pin- und Spin-Gruppe im Fall
Definition 3.3.3 Sei
Die Einschränkung dieser Abbildung auf die Untergruppe
Bemerkung 3.3.4 Die Abbildung
Um das Bild der so definierten Abbildung auf die Invarianzgruppe
Lemma 3.3.5 Sei weiterhin
Dies entspricht der Reflektion von
Beweis: Für
Somit können wir aus der Eigenschaft, dass
Korollar 3.3.6 Sei
der Hintereinanderausführung von
Lemma 3.3.7 Sei
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
Beweis: Siehe [Sch25].
Beweis: Seien
Somit bildet
glatt ist. Also ist die Abbildung auf das Inverse
glatt um
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
Beweis: Siehe [Art57].
Korollar 3.3.10 Sei
Die Abbildung
aus Definition 3.3.3 ist stetig und gemäß dem Satz von Cartan-Dieudonné surjektiv. Somit ist𝜌 : Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) → 𝑂 ( 𝑉 , 𝑞 ) abgeschlossen. Da sich außerdemPin ( 𝑉 , 𝑞 ) aus einer geraden Anzahl an Reflektionen zusammensetzt, folgt𝐴 ∈ SO ( 𝑉 , 𝑞 ) und somit auch, dass𝜌 − 1 ( SO ( 𝑉 , 𝑞 ) ) = Spin ( 𝑉 , 𝑞 ) abgeschlossen ist.Spin ( 𝑉 , 𝑞 ) Die Gruppen
undPin ( 𝑉 , 𝑞 ) zuSpin ( 𝑉 , 𝑞 ) sind als abgeschlossene Untergruppen der Lie-Gruppe( 𝑉 , 𝑞 ) der Einheiten inCl ( 𝑉 , 𝑞 ) × wieder Lie-Gruppen und die AbbildungCl ( 𝑉 , 𝑞 ) bzw. ihre Einschränkung𝜌 : Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) → 𝑂 ( 𝑉 , 𝑞 ) ist als stetiger Gruppenhomomorphismus zwischen Lie-Gruppen nach Lemma 2.1.7 glatt, also ein Lie-Gruppenhomomorphismus.𝜌 : Spin ( 𝑉 , 𝑞 ) → SO ( 𝑉 , 𝑞 )
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
Der Kern von
ist𝜌 : Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) → 𝑂 ( 𝑉 , 𝑞 ) .{ ± 1 } ⊂ Spin ( 𝑉 , 𝑞 ) Die Abbildung
sowie ihre Einschränkung𝜌 : Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) → 𝑂 ( 𝑉 , 𝑞 ) ist ein lokaler Diffeomorphismus.𝜌 : Spin ( 𝑉 , 𝑞 ) → SO ( 𝑉 , 𝑞 )
Beweis:
Sei
mit𝑢 ∈ Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) . Aus𝜌 ( 𝑢 ) = id 𝑉 folgt𝜌 − 1 ( SO ( 𝑉 , 𝑞 ) ) = Spin ( 𝑉 , 𝑞 ) . Sei𝑢 ∈ Spin ( 𝑉 , 𝑞 ) eine{ 𝑒 1 , … , 𝑒 𝑛 } -Orthonormalbasis von𝑞 . Gemäß Lemma 3.2.4 lässt sich𝑉 wie folgt schreiben:𝑢 𝑢 = ∑ 𝑘 ∈ { 1 , … , 𝑛 } , 𝑘 gerade 1 ≤ 𝑗 1 < … < 𝑗 𝑘 ≤ 𝑛 𝑢 𝑗 1 , … , 𝑗 𝑘 ⏟ ∈ 𝕂 𝑒 𝑗 1 ⋅ … ⋅ 𝑒 𝑗 𝑘 + 𝑢 0 ⏟ ∈ 𝕂 . Außerdem folgt aus
, dass𝑢 ∈ Spin ( 𝑉 , 𝑞 ) gilt. Somit folgt𝛽 ( 𝑢 ) = 𝑢 − 1 𝜌 ( 𝑢 ) ( 𝑦 ) = 𝑦 ⇔ 𝑢 𝑦 𝑢 − 1 = 𝑦 ⇔ 𝑢 𝑦 = 𝑦 𝑢 ∀ 𝑦 ∈ 𝑉 . Insbesondere gilt
für alle Basisvektoren𝑒 𝑖 𝑢 𝑒 𝑖 = − 𝑞 ( 𝑒 𝑖 ) 𝑢 . Für dieses Produkt gilt auch:𝑒 𝑖 𝑒 𝑖 𝑢 𝑒 𝑖 = ∑ 𝑘 ∈ { 1 , … , 𝑛 } , 𝑘 gerade 1 ≤ 𝑗 1 < … < 𝑗 𝑘 ≤ 𝑛 𝑢 𝑗 1 , … , 𝑗 𝑘 𝑒 𝑖 𝑒 𝑗 1 ⋅ … ⋅ 𝑒 𝑗 𝑘 𝑒 𝑖 + 𝑒 𝑖 2 𝑢 0 = ∑ 𝑘 ∈ { 1 , … , 𝑛 } , 𝑘 gerade 1 ≤ 𝑗 1 < … < 𝑗 𝑘 ≤ 𝑛 𝑢 𝑗 1 , … , 𝑗 𝑘 𝑒 𝑖 2 ( − 1 ) 𝑘 − 1 𝑒 𝑗 1 ⋅ … ⋅ 𝑒 𝑗 𝑘 + 𝑒 𝑖 2 𝑢 0 = − 𝑞 ( 𝑒 𝑖 ) = ! − 𝑞 ( 𝑒 𝑖 ) 𝑢 . Aus der letzten Zeile folgt, dass
für alle𝑢 𝑗 1 , … , 𝑗 𝑘 = 0 und somit𝑘 ∈ { 1 , … , 𝑛 } . Aus𝑢 ∈ 𝕂 folgt schließlich𝑢 ∈ Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) . Die Inklusion𝑢 ∈ { ± 1 } ist klar.{ ± 1 } ⊂ ker 𝜌 Wir zeigen die Aussage für
; die Aussage fürPin ( 𝑉 , 𝑞 ) folgt analog. Zuerst zeigen wir, dassSpin ( 𝑉 , 𝑞 ) ein lokaler Diffeomorphismus um𝜌 ist. Sei dazu1 ∈ Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) die Lie-Algebra der Lie-Gruppe𝔭𝔦𝔫 ( 𝑉 , 𝑞 ) undPin ( 𝑉 , 𝑞 ) das Differential von( 𝑑 𝜌 ) 1 an𝜌 , sowie1 ∈ Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) . Dann gilt gemäß Lemma 2.1.14𝑋 ∈ 𝔭𝔦𝔫 ( 𝑉 , 𝑞 ) 𝜌 ( exp ( 𝑡 𝑋 ) ) = exp ( 𝑡 ⋅ ( 𝑑 𝜌 ) 1 ( 𝑋 ) ) . Wäre
mit𝑋 ∈ ker ( 𝑑 𝜌 ) 1 , würde die gesamte Integralkurve zu𝑋 ≠ 0 im Kern von𝑋 liegen, was in Widerspruch zu 1. steht. Also gilt𝜌 und aus dem Umkehrsatz folgt, dassker ( 𝑑 𝜌 ) 1 = 0 ein lokaler Diffeomorphismus um𝜌 ist. Da1 ∈ Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) ein Gruppenhomomorphismus ist, überträgt sich diese Eigenschaft auf ganz𝜌 , denn um allePin ( 𝑉 , 𝑞 ) lässt sich𝑔 ∈ Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) darstellen als Abbildung:𝜌 𝜌 : Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) ∋ ℎ 𝑔 ↦ 𝜌 ( ℎ ) ⏟ um 1 ∈ Pin ( 𝑉 , 𝑞 ) ∘ 𝜌 ( 𝑔 ) ⏟ const. ∈ 𝑂 ( 𝑉 , 𝑞 ) .
Proposition 3.3.12 Sei
Beweis: Sei
eine offene Umgebung von
Wir haben nun das folgende Korollar gezeigt.
Korollar 3.3.13 Sei
Die so gefundenen Darstellungen der Pin-Gruppe und der Spin-Gruppe wirken trivial auf dem Element
Definition 3.3.14 Sei wieder
Um eine Spin-Darstellung der Gruppe
Definition 3.3.15 Die Pauli-Matrizen sind
Bemerkung 3.3.16 Zusammen mit der Einheitsmatrix bilden die Pauli-Matrizen eine Basis von
Bemerkung 3.3.17 Für
In der lexikographischen Basiswahl, d. h.
entspricht diese Abbildung dem Kronecker-Produkt der Matrizen
Dem
Analog zu [Sch25], wo die Spin-Darstellung von
Proposition 3.3.18 Sei
Fall
gerade.𝑛 = 2 𝑚 Sei eine lineare Abbildung
gegeben durch𝜑 𝑛 : ℂ 𝑛 → Mat ( 2 𝑚 , ℂ ) 𝜑 𝑛 : 𝑒 2 𝑗 − 1 ↦ 𝑖 𝜎 1 ⊗ … ⊗ 𝜎 1 ⏟ 𝑗 − 1 ⊗ 𝜎 2 ⊗ 𝐼 2 ⊗ … ⊗ 𝐼 2 ⏟ 𝑚 − 𝑗 𝑒 2 𝑗 ↦ 𝑖 𝜎 1 ⊗ … ⊗ 𝜎 1 ⏞ ⊗ 𝜎 3 ⊗ 𝐼 2 ⊗ … ⊗ 𝐼 2 ⏞ ( 𝑗 = 1 , … , 𝑚 ) . Fall
ungerade.𝑛 = 2 𝑚 + 1 Sei eine lineare Abbildung
gegeben durch𝜑 𝑛 : ℂ 𝑛 → Mat ( 2 𝑚 , ℂ ) ⊕ Mat ( 2 𝑚 , ℂ ) 𝜑 𝑛 : 𝑒 𝑗 ↦ ( 𝜑 𝑛 − 1 ( 𝑒 𝑗 ) , 𝜑 𝑛 − 1 ( 𝑒 𝑗 ) ) ( 𝑗 = 1 , … , 2 𝑚 ) 𝑒 2 𝑚 + 1 ↦ ( 𝑖 𝜎 1 ⊗ … ⊗ 𝜎 1 ⏟ 𝑚 , − 𝑖 𝜎 1 ⊗ … ⊗ 𝜎 1 ⏟ 𝑚 ) .
Sei anschließend eine lineare Abbildung
Durch multiplikative Fortsetzung auf
Beweis: Sei
abgebildet. Durch Multiplikation dieser Elemente mit
Durch Multiplikation dieser Elemente untereinander entstehen die Elemente
Durch Multiplikation dieser Elemente mit
Da die Pauli-Matrizen eine Basis von
Den Vektorraum, auf dem diese Tensorprodukte wirken, bezeichnen wir wie folgt.
Definition 3.3.19 Für
Definition 3.3.20 Sei
Die Spin-Darstellung von
ist der AlgebrenhomomorphismusCl 𝑟 , 𝑠 ℂ 𝜅 𝑟 , 𝑠 : Cl 𝑟 , 𝑠 ℂ → End ( Δ 𝑛 ) 𝑎 ↦ { 𝜑 𝑟 , 𝑠 ( 𝑎 ) 𝑟 + 𝑠 gerade pr 1 ∘ 𝜑 𝑟 , 𝑠 ( 𝑎 ) 𝑟 + 𝑠 ungerade Die Spin-Darstellung von
ist die Einschränkung:Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) 𝜅 ≔ 𝜅 𝑟 , 𝑠 | Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) : Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) → GL ( Δ 𝑛 ) ⊂ End ( Δ 𝑛 ) .
Zuletzt möchten wir noch feststellen, dass diese Abbildung tatsächlich eine Darstellung ist und im Fall
Korollar 3.3.21 Die Spin-Darstellung
3.4. Spin-Strukturen und der Dirac-Operator
Sei
Wie in Bemerkung 2.2.9 beschrieben, entspricht die Fixierung der Riemannschen Metrik
Definition 3.4.1 Sei
fasertreu und
𝐹 -äquivariant ist, d. h. für alle𝜌 gilt𝑝 ∈ 𝑃 , 𝑢 ∈ Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) 𝐹 ( 𝑝 ⋅ 𝑢 ) = 𝐹 ( 𝑝 ) ⋅ 𝜌 ( 𝑢 ) .
Mit anderen Worten: Eine Spin-Struktur von
Während eine Reduktion der Strukturgruppe des Tangentialbündels von
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
heißt Spinorbündel zur Spin-Struktur
Um nun den Dirac-Operator definieren zu können, benötigen wir einen Zusammenhang im Spinorbündel. Dazu fixieren wir den Levi-Civita-Zusammenhang
Bemerkung 3.4.3 Weil der Levi-Civita-Zusammenhang ein metrischer Zusammenhang ist (und somit
Definition 3.4.4 Sei
Wir definieren die folgende Zusammenhangsform auf
:𝑃 𝐴 𝑃 ≔ ( 𝑑 𝜌 1 ) − 1 ∘ 𝐹 ∗ 𝐴 ∈ Ω 1 ( 𝑃 , 𝔰𝔭𝔦𝔫 ( 𝑟 , 𝑠 ) ) Dabei ist
die Darstellung aus Definition 3.3.3 und𝜌 : Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) → SO ( 𝑟 , 𝑠 ) die Lie-Algebra von𝔰𝔭𝔦𝔫 ( 𝑟 , 𝑠 ) .Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) Den induzierten Zusammenhang
auf∇ 𝐴 𝑃 nennen wir Spinorableitung und schreiben𝑆 ∇ 𝑆 ≔ ∇ 𝐴 𝑃 .
An verschiedenen Stellen werden wir die wie folgt definierte Bündelmetrik auf
Definition 3.4.5 Sei
für alle
Lemma 3.4.6 Sei
Beweis: Sei
Dann gilt mittels Lemma 2.6.4 und der Definition der Bündelmetrik auf dem Spinorbündel
Da die Spin-Darstellung
Der Dirac-Operator, den wir nun einführen möchten, soll als Differentialoperator erster Ordnung auf den Spinorfeldern operieren. Für einen Spinorfeld
Definition 3.4.7 Sei
Bemerkung 3.4.8 Die Auswertungsabbildung
ist bilinear und somit glatt. Außerdem ist die Spin-Darstellung von
Lemma 3.4.9 Sei
Beweis: Sei
Durch Multiplikation mit
Vermöge dem vorherigen Lemma möchten wir nun die Clifford-Multiplikation als einen Bündelhomomorphismus der Form
Definition 3.4.10 Sei
Definiere eine Abbildung
Wir geben auch dieser Abbildung den Namen Clifford-Multiplikation und den Buchstaben
Proposition 3.4.11 Die so definierte Abbildung
Beweis: Die Wohldefiniertheit folgt aus Lemma 3.4.9. Außerdem ist
und ist somit glatt.
Für die Clifford-Multiplikation
Lemma 3.4.12 Seien
Wenn die Signatur der Metrik auf
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
Dabei ist
Dies ist die Definition über eine
Definition 3.4.14 Sei
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
Beweis: Seien die Bezeichnungen wie in Definition 3.4.13 und
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
Dabei ist
Für die Wohldefiniertheit dieses Operators siehe Bemerkung 13.3 in [Sch25].
Proposition 3.4.17 Für den Dirac-Operator
Dabei ist
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
Definition 3.4.18 Sei
Dabei ist
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
und
Wir sagen, dass
Beweis: Sei
Dabei ist
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
Das Element
liegt im Zentrum der Gruppe𝑒 1 ⋅ … ⋅ 𝑒 𝑛 ∈ Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) .Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) Für dieses Element gilt
( 𝑒 1 ⋅ … ⋅ 𝑒 𝑛 ) 2 = ( − 1 ) 𝑠 − 𝑚 .
Beweis: Für alle
Für das Quadrat des Elements
Definition 3.4.21 Sei
Proposition 3.4.22 Seien die Bezeichnungen wie zuvor und
Für alle
gilt𝑢 ∈ Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) 𝜙 ∘ 𝜅 ( 𝑢 ) = 𝜅 ( 𝑢 ) ∘ 𝜙 . Der Chiralitätsoperator erfüllt
und hat somit nur die Eigenwerte𝜙 2 = id Δ 𝑛 .{ ± 1 }
Beweis: Wir benutzen Lemma 3.4.20. Für die Abbildung
Für das Quadrat des Chiralitätsoperators gilt:
Somit ergeben sich die folgenden Definitionen.
Definition 3.4.23 Sei
Die Eigenräume des Chiralitätsoperators
bezeichnen wir mit𝜙 : Δ 𝑛 → Δ 𝑛 Δ 𝑛 + ≔ { 𝑤 ∈ Δ 𝑛 | 𝜙 ( 𝑤 ) = 𝑤 } und Δ 𝑛 − ≔ { 𝑤 ∈ Δ 𝑛 | 𝜙 ( 𝑤 ) = − 𝑤 } . Elemente von
heißen Spinoren positiver Chiralität und Elemente vonΔ 𝑛 + heißen Spinoren negativer Chiralität.Δ 𝑛 − Die Einschränkung der Spin-Darstellung
auf diese Unterräume𝜅 : Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) → GL ( Δ 𝑛 ) 𝜅 + : Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) → GL ( Δ 𝑛 + ) und 𝜅 − : Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) → GL ( Δ 𝑛 − ) nennen wir die positive und die negative Spin-Darstellung von
.Spin ( 𝑟 , 𝑠 ) Die Vektorbündel
𝑆 + ≔ 𝑃 × 𝜅 + Δ 𝑛 + und 𝑆 − ≔ 𝑃 × 𝜅 − Δ 𝑛 − bezeichnen wir als positives und negatives Spinorbündel. Sie können identifiziert werden mit den Untervektorbündeln
𝑆 + ≅ { [ ( 𝑝 , 𝑤 ) ] | 𝑝 ∈ 𝑃 , 𝑤 ∈ Δ 𝑛 + } ⊂ 𝑆 , und 𝑆 − ≅ { [ ( 𝑝 , 𝑤 ) ] | 𝑝 ∈ 𝑃 , 𝑤 ∈ Δ 𝑛 − } ⊂ 𝑆 .
Proposition 3.4.24 Wenn die Dimension
und der negative Dirac-Operator
Beweis: Sei
Es folgt sofort
Insgesamt folgt
Und somit
Dabei ist
Korollar 3.4.25 Sei
Der positive und negative Dirac-Operator ist somit nicht formal selbstadjungiert. Außerdem folgt aus der Lichnerowicz-Formel (Proposition 3.4.17)
Dabei ist
3.5. Der Fall 𝐒𝐩𝐢𝐧 ℂ ( 𝑟 , 𝑠 )
Sei wieder
Wir möchten nun die Gruppe
mit der komponentenweisen Multiplikation eine Lie-Gruppe bildet. Wir benötigen außerdem die folgende Untergruppe.
Lemma 3.5.1 In der Lie-Gruppe
eine abgeschlossene Untergruppe des Zentrums.
Daher können wir die folgende Lie-Gruppe definieren.
Definition 3.5.2 Die
Elemente in dieser Gruppe notieren wir als Äquivalenzklassen in der Form
Nun möchten wir die Darstellungen der Spin-Gruppe auf die Gruppe
Definition 3.5.3 Sei
Um diese Abbildung als Lie-Gruppen Homomorphismus auffassen zu können, benötigen wir das folgende Lemma.
Lemma 3.5.4 Sei
Beweis: Die Hinrichtung ist klar, da in diesem Fall
Diese Abbildung ist glatt als Komposition glatter Abbildungen.
Korollar 3.5.5 Die Gruppenhomomorphismen
Analog zum Begriff einer Spin-Struktur können wir nun den Begriff einer
Definition 3.5.6 Sei
Auch in diesem Fall ist die Existenz einer solchen Reduktion nicht garantiert und bildet eine topologische Invariante. Interessanterweise besitzt jede Riemannsche, orientierbare
Die Definition des Spinorbündels erfolgt analog zum Fall einer Spin-Struktur (nun mit
Definition 3.5.7 Sei
Sei
der Lie-Gruppen-Homomorphismus aus Definition 3.5.3 und𝑞 : Spin ℂ ( 𝑟 , 𝑠 ) → 𝑆 1 die Linkswirkung von𝜆 𝑞 aufSpin ℂ ( 𝑟 , 𝑠 ) durch𝑆 1 für alle𝜆 𝑞 ( [ ( 𝑢 , 𝑧 ) ] , 𝑤 ) ≔ 𝑞 ( [ ( 𝑢 , 𝑧 ) ] ) ⋅ 𝑤 = 𝑧 2 ⋅ 𝑤 . Dann definieren wir das folgende[ ( 𝑢 , 𝑧 ) ] ∈ Spin ℂ ( 𝑟 , 𝑠 ) , 𝑤 ∈ 𝑆 1 -HFB über𝑆 1 𝑀 𝑃 1 ≔ 𝑃 × 𝜆 𝑞 𝑆 1 . Dies nennen wir das Determinantenlinienbündel zu der
-StrukturSpin ℂ .( 𝑃 , 𝐹 ) Wir definieren die Abbildung
pr 1 : 𝑃 ∋ 𝑝 ↦ [ ( 𝑝 , 1 ) ] ∈ 𝑃 1 .
Definition 3.5.8 Sei
Wir definieren den folgenden Zusammenhang auf
:𝑃 𝐴 𝑃 ≔ ( ( 𝑑 𝜌 1 ) − 1 ∘ 𝐹 ∗ 𝐴 SO , 1 2 pr 1 ∗ 𝐴 ) ∈ Ω 1 ( 𝑃 , 𝔰𝔭𝔦𝔫 ( 𝑟 , 𝑠 ) ⊕ 𝑖 ℝ ) . Den induzierten Zusammenhang
auf dem Spinorbündel∇ 𝐴 𝑃 nennen wir wieder Spinorableitung und schreiben𝑆 ∇ 𝑆 ≔ ∇ 𝐴 𝑃 .
Wieder können wir auf dem Spinorbündel eine hermitesche Bündelmetrik definieren. Auch im Fall einer
Definition 3.5.9 Sei
Die Darstellung über eine
Proposition 3.5.10 Für den Dirac-Operator
Dabei ist
Beweis: Siehe Satz 13.9. in [Sch25].
Bemerkung 3.5.11 Der Dirac-Operator einer
für alle Spinorfelder
Lemma 3.5.12 Sei
Beweis: Sei
Somit gilt dies auf ganz
Korollar 3.5.13 Sei
Wie die Spin-Darstellung von
Definition 3.5.14 Seien
heißen positive und negative Spinorbündel.
Definition 3.5.15 Auch im Fall einer
ist wohldefiniert.
Beweis: Analog zu dem zu Proposition 3.4.24, nun mit
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
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
4.1. Lineare Differentialoperatoren und das Hauptsymbol
Seien
In diesem Abschnitt stellen wir den grundlegenden Begriff eines linearen Differentialoperators zwischen Schnitten in Vektorbündeln vor. Wenn
Definition 4.1.1 Ein linearer Differentialoperator
mit glatten Funktionen
Definition 4.1.2 Sei
für alle
Beweis: Für einen Beweis der Existenz von
für alle
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
Das Hauptsymbol
von𝜎 ( 𝑃 ) ordnet jedem𝑃 mit𝜉 ∈ 𝑇 ∗ 𝑀 die lineare Abbildung𝜉 ≠ 0 𝜎 ( 𝑃 ) : 𝐸 𝑥 ∋ 𝑒 ↦ 1 𝑚 ! ( 𝑃 ( 𝑓 𝑚 𝑒 ̂ ) ) ( 𝑥 ) ∈ 𝐹 𝑥 zu. Dabei ist
der Fußpunkt von𝑥 ,𝜉 eine reellwertige Funktion mit𝑓 ∈ 𝐶 ∞ ( 𝑀 , ℝ ) und𝑓 ( 𝑥 ) = 0 sowie𝑑 𝑓 𝑥 = 𝜉 eine Fortsetzung von𝑒 ̂ ∈ Γ ( 𝐸 ) mit𝑒 .𝑒 ̂ ( 𝑥 ) = 𝑒 Der Differentialoperator
heißt elliptisch, wenn𝑃 für alle𝜎 ( 𝑃 ) ( 𝜉 ) mit𝜉 ∈ 𝑇 𝑥 ∗ 𝑀 und𝜉 ≠ 0 invertierbar ist.𝑥 ∈ 𝑀
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
Beweis: Siehe [LM89].
4.2. Elliptische Komplexe und Selbstdualität
Definition 4.2.1 Sei
von Schnitten in
exakt ist.
Theorem 4.2.2 Sei ein elliptischer Komplex
Dann gelten die orthogonalen Aufspaltungen
Außerdem ist die Einbettung
des Komplexes ein Vektorraumisomorphismus, d. h. insbesondere gilt
und jede Homologiegruppe
Beweis: Siehe Theorem 5.2 von Kapitel 4 in [Wel80] oder [Dan14].
Ein besonderes Beispiel für einen elliptischen Komplex ist der zu einer
Die Homologiegruppen dieses elliptischen Komplexes sind die de-Rham-Gruppen
definieren. Der Fakt, dass
und somit gilt
Die Gleichungen auf der rechten Seite können als statische Maxwell’sche Gleichungen im Vakuumfall interpretiert werden.
Definition 4.2.3 Sei
bezeichnen wir als harmonische Formen.
Gemäß dem Hodge-Theorem (Theorem 4.2.2) gilt auf einer kompakten, Riemannschen Mannigfaltigkeit
Die Zahlen
Der Hodge-Stern-Operator definiert somit eine lineare Abbildung
Definition 4.2.4 Die durch die Metrik
Für dieses Skalarprodukt gilt dann für alle
Somit ist das Codifferential gegeben durch
Korollar 4.2.5 Sei
für die
Außerdem wird durch den Hodge-Stern-Operator auf einer Riemannschen
Definition 4.2.6 Sei
Den Schnitt dieser Unterräume mit den harmonischen
Die zugehörigen positiven und negativen Betti-Zahlen sind
Die Signatur von
Eine weitere interessante Anwendung des Hodge-Theorems ist die Existenz von Lösungen der Poisson-Gleichung.
Lemma 4.2.7 Für die Poisson-Gleichung
existiert genau dann eine Lösung
Beweis: Sei zuerst
Somit liegt
4.3. Die Seiberg-Witten-Gleichungen
Sei
Wir suchen Paare
für alle Vektorfelder
Die Gleichungen gehen außerdem auf ein Variationsprinzip zurück. Offenbar sind Lösungen von Gl. (4.5) Nullstellen des Funktionals
Um das Funktional weiter umzuformen brauchen wir zunächst das folgende Lemma.
Lemma 4.3.1 Sei
Beweis: Siehe [Fri97].
Somit ist das Seiberg-Witten-Funktional
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
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
Der Lösungsraum der Seiberg-Witten-Gleichungen hängt somit von der Metrik ab, die wir auf
benötigen. Dabei ist
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 4.4.2 Sei
Man nennt
eine topologische Banach-Mannigfaltigkeit modeliert auf𝑋 oder, wenn der Kontext klar ist, auch nur Banach-Mannigfaltigkeit, falls𝐸 ein Hausdorff-Raum ist und𝑋 um jedes
eine offene Umgebung𝑥 ∈ 𝑋 existiert und eine offene Menge𝑈 sowie ein Homöomorphismus𝑈 ′ ⊂ 𝐵 . Ein solches Tupel𝜑 : 𝑈 → 𝑈 ′ nennen wir Karte um( 𝑈 , 𝜙 ) .𝑥 ∈ 𝑋
Ein
-Atlas auf𝐶 𝑘 mit𝑋 ist eine Menge an Karten𝑘 ∈ ℕ , sodass die( 𝑈 𝑖 , 𝜙 𝑖 ) den Raum𝑈 𝑖 überdecken und die Kartenwechselabbildungen𝑋 𝜑 𝑗 ∘ 𝜑 𝑖 − 1 : 𝜑 𝑖 ( 𝑈 𝑖 ∩ 𝑈 𝑗 ) → 𝜑 𝑗 ( 𝑈 𝑖 ∩ 𝑈 𝑗 ) -mal stetig Fréchet-differenzierbar sind. Ein𝑘 -Atlas auf𝐶 ∞ ist ein Atlas im obigen Sinne, sodass die Kartenwechselabbildungen für alle𝑋 𝑘 ∈ ℕ -mal Fréchet-differenzierbar sind.𝑘 Eine
-Banach-Mannigfaltigkeit modelliert auf𝐶 𝑘 mit𝐸 ist eine Banach-Mannigfaltigkeit modelliert auf𝑘 ∈ ℕ ∪ { ∞ } zusammen mit einem𝐸 -Atlas. Wenn der Kontext klar ist, sagen wir auch nur𝐶 𝑘 -Banach-Mannigfaltigkeit.𝐶 𝑘 Eine
-Struktur auf einer Banach-Mannigfaltigkeit𝐶 𝑘 mit𝑋 ist ein maximaler𝑘 ∈ ℕ ∪ { ∞ } -Atlas auf𝐶 𝑘 . Eine glatte Banach-Mannigfaltigkeit ist eine Banach-Mannigfaltigkeit mit einer𝑋 -Struktur.𝐶 ∞
Beispiel 4.4.3
Jeder Banach-Raum
kann kanonisch als glatte Banach-Mannigfaltigkeit aufgefasst werden. Ein𝐸 -Atlas ist gegeben durch die Identität auf𝐶 ∞ .𝐸 Mit der Teilraumtopologie bildet die Menge
𝒢︀ ≔ 𝐻 3 ( 𝑀 , 𝑆 1 ) ≔ { 𝜎 ∈ 𝐻 3 ( 𝑀 , ℂ ) | für fast alle 𝑥 ∈ 𝑀 : 𝜎 ( 𝑥 ) ∈ 𝑆 1 } ⊂ 𝐻 3 ( 𝑀 , ℂ ) eine Banach-Mannigfaltigkeit modelliert auf dem reellen Banachraum
. Um dies einzusehen, betrachten wir eine Umgebung𝐻 3 ( 𝑀 , 𝑖 ℝ ) um𝑈 ⊂ 𝑆 1 , sodass ein glatter Logarithmus1 ∈ 𝑆 1 existiert. Um allelog : 𝑈 → 𝑖 ℝ definieren wir dann die Menge𝜎 0 ∈ 𝒢︀ 𝒰︀ 𝜎 0 ≔ { 𝜎 ∈ 𝒢︀ | für fast alle 𝑥 ∈ 𝑀 : 𝜎 ( 𝑥 ) 𝜎 0 − 1 ( 𝑥 ) ∈ 𝑈 } und die Abbildung
𝜑 𝜎 0 : 𝒰︀ 𝜎 0 → 𝐻 3 ( 𝑀 , 𝑖 ℝ ) 𝜎 ↦ log ( 𝜎 𝜎 0 − 1 ) . Die Umkehrabbildung ist gegeben durch
. Die Menge aller Paare𝜑 𝜎 0 − 1 ( 𝑢 ) = exp ( 𝑢 ) 𝜎 0 bildet sogar einen( 𝑈 𝜎 0 , 𝜑 𝜎 0 ) -Atlas für𝐶 ∞ mit dem𝒢︀ eine glatte Banach-Mannigfaltigkeit wird.𝒢︀
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
Definition 4.4.5 Sei
in zwei weitere Banach-Räume
Definition 4.4.6 Sei
Ein Tangentialvektor an
ist eine Derivation𝑥 ∈ 𝑋 an𝐷 , d. h. eine𝑥 ∈ 𝑋 -lineare Abbildungℝ 𝐷 : 𝐶 ∞ ( 𝑋 , ℝ ) → ℝ mit
𝐷 ( 𝑓 𝑔 ) = 𝐷 ( 𝑓 ) 𝑔 𝑥 + 𝑓 𝑥 𝐷 ( 𝑔 ) für alle 𝑓 , 𝑔 ∈ 𝐶 ∞ ( 𝑋 , ℝ ) . Der Tangentialraum
an𝑇 𝑥 𝑋 ist der reelle Vektorraum aller Derivationen an𝑥 ∈ 𝑋 .𝑥 Wenn
eine weitere glatte Banach-Mannigfaltigkeit,𝑌 ein Punkt in𝑥 ∈ 𝑋 und𝑋 eine glatte Abbildung ist, dann definieren wir eine lineare Abbildung𝑓 ∈ 𝐶 ∞ ( 𝑋 , 𝑌 ) 𝑑 𝑓 𝑥 : 𝑇 𝑥 𝑋 → 𝑇 𝑓 ( 𝑥 ) 𝑌 𝐷 ↦ 𝑑 𝑓 𝑥 ( 𝐷 ) durch
𝑑 𝑓 𝑥 ( 𝐷 ) ( 𝑔 ) ≔ 𝐷 ( 𝑔 ∘ 𝑓 ) ∈ ℝ für alle 𝑔 ∈ 𝐶 ∞ ( 𝑌 , ℝ ) .
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
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
Definition 4.5.1
Sei
und𝕂 ∈ { ℝ , ℂ } Banachräume über𝐸 , 𝐹 . Ein beschränkter linearer Operator𝕂 heißt Fredholm-Operator, wenn𝑓 : 𝐸 → 𝐹 endlich-dimensional ist undker ( 𝑓 ) ⊂ 𝐸 endliche Kodimension hat. Die Zahlim ( 𝑓 ) ⊂ 𝐹 ind 𝕂 ( 𝑓 ) ≔ dim 𝕂 ker ( 𝑓 ) − codim 𝕂 im ( 𝑓 ) heißt Fredholm-Index bzw. auch nur Index von
. Wenn der Grundkörper klar ist, schreiben wir auch nur𝑓 . Im Fallind ( 𝑓 ) ≔ ind 𝕂 ( 𝑓 ) schreiben wir zusätzlich𝕂 = ℂ .ind ℝ ( 𝑓 ) ≔ 2 ind ℂ ( 𝑓 ) Eine glatte Abbildung
zwischen glatten Banach-Mannigfaltigkeiten heißt Fredholm-Abbildung von Index𝑓 : 𝑋 → 𝑌 , wenn𝑛 für alle𝑑 𝑓 𝑥 ein Fredholm-Operator von Index𝑥 ∈ 𝑋 ist.𝑛
Lemma 4.5.2 Seien
Das Bild
ist abgeschlossen.im ( 𝑓 ) ⊂ 𝐹 Wenn
Hilberträume sind, dann ist auch der zu𝐸 , 𝐹 adjungierte Operator𝑓 ein Fredholm-Operator und für den Index gilt𝑓 ∗ : 𝐹 → 𝐸
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
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
Dabei ist
Dann definiert
für alle
Beispiel 4.5.5 Sei
eine Bündelmetrik auf
Lemma 4.5.6 Sei
fortgesetzt werden. Wenn
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
die Euler-Charakteristik von
Im einfachsten Fall lässt sich der Index eines elliptischen Operators wie folgt mit der Euler-Charakteristik in Beziehung setzen.
Bemerkung 4.5.9 Sei
ist, dann gilt
Auch für einen allgemeinen elliptischen Komplex existiert ein elliptischer Differentialoperator, dessen Index der Euler-Charakteristik des Komplexes entspricht.
Proposition 4.5.10 Sei
ein elliptischer Operator und für den Index der Fortsetzung dieses Operators zu einem Fredholm-Operator auf den respektiven Sobolev-Räumen gilt
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
ist, dann gilt für die Euler-Charakteristik von
Um dies einzusehen, betrachten wir ein Element
Somit gilt
Gilt andersherum
Somit ist der Operator
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
Korollar 4.5.12 Gemäß Lemma 4.5.2 ist auch der Operator
ein elliptischer Operator und für den Index der Fortsetzung dieses Operators zu einem Fredholm-Operator auf den respektiven Sobolev-Räumen gilt
Wir erhalten außerdem das folgende Korollar, das wir zur Vermeidung reduzibler Lösungen der Seiberg-Witten-Gleichungen benötigen.
Korollar 4.5.13 Sei
einen affinen Unterraum von
Beweis: Die gesuchte Kodimension ist
Als zweiten Baustein der Dimensionsberechnung benötigen wir den Index des positiven Dirac-Operators einer
Definition 4.5.14 Sei
offenbar symmetrisch in den formalen Variablen
und gewichtet homogene Funktionen
ausgedrückt werden. Die Folge
Definition 4.5.15 Sei
eine kommutative, unitäre Algebra über
mit
Beispiel 4.5.16 Wir betrachten die Potenzreihe
Die ersten Terme der zu
Wenn zusätzlich
Proposition 4.5.17 Sei
Dabei ist der Integrand der Anteil der formalen Potenzreihe
welcher in
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
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
Wenn
Bemerkung 4.5.20 Falls
4.6. Das Definitionsgebiet der Seiberg-Witten-Abbildung
Sei
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
Satz 4.6.1 Seien
Beweis: Siehe [Eva10].
Definition 4.6.2
Die Seiberg-Witten-Abbildung ist die Abbildung
𝒮︀𝒲︀ : 𝐻 2 ( 𝑆 + ⊕ 𝑇 ∗ 𝑀 ) → 𝐻 1 ( 𝑆 − ⊕ ( Λ + 2 𝑇 ∗ 𝑀 ⊗ 𝑖 ℝ ) ) ( 𝜑 , 𝑎 ) ↦ ( 𝜕 𝐴 0 + 𝜑 + 𝑎 ⋅ 𝜑 Ω + 𝐴 0 + ( 𝑑 𝑎 ) + − 𝜔 𝜑 ) . 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
𝒜︀ ≔ 𝐻 2 ( 𝑆 + ⊕ 𝑇 ∗ 𝑀 ) . Wir betrachten außerdem eine Eichwirkung der Gruppe
auf dem Definitionsgebiet𝒢︀ ≔ 𝐻 3 ( 𝑀 , 𝑆 1 ) ⊂ 𝐻 3 ( 𝑀 , ℂ ) von𝒜︀ von rechts durch𝒮︀𝒲︀ 𝒜︀ × 𝒢︀ → 𝒜︀ ( 𝜑 , 𝑎 , 𝜎 ) ↦ ( 𝜑 , 𝑎 ) ⋅ 𝜎 ≔ ( 𝜎 − 1 𝜑 , 𝑎 + 2 𝜎 − 1 𝑑 𝜎 ) . Den Quotienten bezüglich dieser Wirkung bezeichnen wir mit
ℬ︀ ≔ 𝒜︀ / 𝒢︀ .
Proposition 4.6.3 Wenn
Beweis: Sei
Gemäß Bemerkung 2.6.7 ist die lokale Krümmungsform außerdem invariant unter Eichtransformationen und da
Definition 4.6.4 Sei
Der Modulraum der perturbierten Seiberg-Witten-Gleichungen ist
Dabei ist
Um zu zeigen, dass
Definition 4.6.5
Sei
ein beliebiger Punkt in𝑥 0 ∈ 𝑀 . Die reduzierte Eichgruppe ist𝑀 𝒢︀ 0 ≔ { 𝜎 ∈ 𝒢︀ | 𝜎 ( 𝑥 0 ) = 1 } ⊂ 𝒢︀ . Den Quotienten bezüglich der Einschränkung der Eichwirkung auf diese Gruppe bezeichnen wir mit
ℬ︀ 0 ≔ 𝒜︀ / 𝒢︀ 0 . Wir definieren
ℳ︀ 𝑃 1 , 𝜂 , 0 ≔ { ( 𝑎 , 𝜑 ) ∈ ℬ︀ 0 | ( 𝑎 , 𝜑 ) erfüllt Gl. (4.6) } ⊂ ℬ︀ 0 .
Bemerkung 4.6.6 Der Modulraum der perturbierten Seiberg-Witten-Gleichungen
wobei
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
gilt.
Beweis: Siehe Proposition 1.33 in [Hat02].
Korollar 4.6.8 Wenn
Proposition 4.6.9 Sei
ist ein Diffeomorphismus. Insbesondere ist
Beweis: Wir zeigen zuerst die Surjektivität. Sei dazu
Wir setzen
Dies ist genau die Poisson-Gleichung, deren Lösbarkeit wir in Lemma 4.2.7 festgestellt haben. Die Surjektivität folgt daraus, dass wir auf
Somit gilt
und daher
Aus diesem Ausdruck und der Bijektivität von
eine globale Karte für
4.7. Der Modulraum der Seiberg-Witten-Gleichungen
Sei
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
Theorem 4.7.1 Sei
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
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
Beweis: Siehe [Sma65].
Das Differential der Seiberg-Witten-Abbildung ergibt sich wie folgt.
Lemma 4.7.4 Sei
an einer Stelle
Dabei ist
Beweis: Wir betrachten in
Es gilt
Somit ergibt sich
Beweis: Siehe [Aro56].
Schließlich erhalten wir das folgende Theorem.
Theorem 4.7.6 Sei
Dann existiert ein affiner Unterraum von
Im Fall
ist𝑛 ≥ 0 eine Mannigfaltigkeit der Dimensionℳ︀ 𝑃 1 , 𝜂 , 0 dim ( ℳ︀ 𝑃 1 , 𝜂 , 0 ) = 𝑛 + 1 und
eine Mannigfaltigkeit der Dimensionℳ︀ 𝑃 1 , 𝜂 dim ( ℳ︀ 𝑃 1 , 𝜂 ) = 𝑛 . - Im Fall
gilt𝑛 < 0 .ℳ︀ 𝑃 1 , 𝜂 , 0 = ℳ︀ 𝑃 1 , 𝜂 = ∅
Beweis: Wir definieren die Abbildung
Dabei ist
Wir wollen zuerst zeigen, dass
gilt. Wir setzen
und
und somit ist
eine glatt eingebettete Untermannigfaltigkeit von
wobei die Abbildung
Dabei ist
Das Differential von
Wir wollen zeigen, dass
In einem Versuch, nicht verrückt zu werden, kürzen wir wie folgt ab:
Dann gilt
Falls wir nun zeigen können, dass
gilt, ist die Summe in Gl. (4.8) eine direkte Summe. In diesem Fall folgt aus der endlichen Kodimension von dem Bild von
Somit gilt
Dabei ist
für alle
Da
Da dies für alle
gilt und
Bzw.
Bzw.
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
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.
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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.