천-사이먼스 형식
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1. 개요
천-사이먼스 형식은 주어진 다양체와 리 대수 값을 갖는 1-형식에 대해 정의되는 일련의 다중 선형 형식이다. 1차원, 3차원, 5차원 등 홀수 차원에서 정의되며, 곡률 F를 사용하여 표현된다. 일반적인 천-사이먼스 형식 ω2k-1은 dω2k-1 = Tr(F^k)로 정의되며, 이는 연결 A의 k번째 천 특성에 비례한다. 천-사이먼스 형식은 게이지 이론에서 중요한 역할을 하며, 게이지 불변 불변량을 제공한다. 이 형식은 천싱선과 제임스 해리스 사이먼스에 의해 도입되었으며, 위상 양자장론, 3차원 양자 중력, 분수 양자 홀 효과 등 물리학 분야에 응용된다.
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| 천-사이먼스 형식 | |
|---|---|
| 개요 | |
![]() | |
| 유형 | 이차 특성류 |
| 정의 | 3차원 다양체 위의 접속에 대한 함수 |
| 수학적 세부사항 | |
| 관련 개념 | 특성류 천 특성류 바일-듀몽 준동형 |
| 응용 | |
| 관련 이론 | 끈 이론 위상 양자장론 천-사이먼스 이론 |
2. 정의
다양체 위에 정의된 리 대수 값을 갖는 1-형식 에 대해, 일련의 ''p''-형식을 정의할 수 있다.
일반적으로, 천-사이먼스 p-형식은 임의의 홀수 p에 대해 정의된다. p-차원 다양체 위의 천-사이먼스 항의 적분은 대역적인 기하학적 불변량이며, 전형적으로 정수배를 동일시하면 게이지 불변량이 된다.
일반적인 천-사이먼스 형식 은 다음과 같이 정의된다.
:
여기서 쐐기곱은 ''Fk''를 정의하는 데 사용된다. 이 방정식의 우변은 연결 의 ''k''번째 천 특성류에 비례한다.
| 차원 | 천-사이먼스 형식 |
|---|---|
| 1 | |
| 3 | |
| 5 |
여기서 곡률 '''F'''는 다음과 같이 정의된다.
:
2. 1. 천-사이먼스 원소
다음이 주어졌다고 하자.- 유한 차원 실수 리 대수
- 의 차 불변 다항식
그렇다면, 로 구성되는 베유 대수 를 정의할 수 있다. 이는 가환 미분 등급 대수이다. 또한, 불변 다항식의 공간 은 자연스럽게 베유 대수의 부분 공간으로 간주될 수 있다.
:
이제, 의 원소는 베유 대수 속에서 항상 닫힌 원소이며, 베유 대수의 코호몰로지는 (정의에 따라) 자명하다. 따라서,
:
가 되는 차 원소
:
를 찾을 수 있다. 이를 의 '''천-사이먼스 원소'''(Chern–Simons element영어)라고 한다.
이와 같은 구성은 임의의 L∞-대수에 대하여 그대로 일반화된다.
2. 2. 리 대수 값 미분 형식의 천-사이먼스 형식
다음이 주어졌다고 하자.그렇다면, 는 가환 미분 등급 대수의 준동형
:
과 같은 데이터를 갖는다. 구체적으로, 의 기저를 라고 하고, 의, 이에 대응하는 등급 1의 생성원을 라고 할 때, 미분 등급 대수 준동형 에 대응하는 1차 미분 형식은
:
이다.
이에 따라서, 의 차 불변 다항식 에 대한 속의 대수적 천-사이먼스 원소
:
에 대하여, 그 상
:
은 위의 차 미분 형식을 이룬다. 즉, 이는
:
를 만족시킨다.
주어진 다양체와 그 위에 정의된 리 대수 값을 갖는 1-형식 에 대해, 일련의 ''p''-형식을 정의할 수 있다.
일반적으로, 천-사이먼스 ''p''-형식은 모든 홀수 ''p''에 대해 정의된다.
다양체가 주어지고, 다양체 위의 리 대수에 값을 갖는 1-형식의 공간을 라고 하면, 다음과 같이 (천-사이먼스) p-형식의 족을 정의할 수 있다.
일반적인 천-사이먼스 형식 은 다음과 같은 방법으로 정의된다.
:
여기서 외적은 Fk로 정의한다. 이 식의 우변은 접속 의 k-번째 천류에 비례한다.
일반적으로, 천-사이먼스 p-형식은 임의의 홀수 p에 대해 정의된다. (정의는 게이지 이론도 참조). p-차원 다양체 위의 천-사이먼스 항의 적분은 대역적인 기하학적 불변량이며, 전형적으로 정수배를 동일시하면 게이지 불변량이 된다.
| 차원 | 천-사이먼스 형식 |
|---|---|
| 1 | |
| 3 | |
| 5 |
여기서 곡률 '''F'''는 다음과 같이 정의된다.
:
2. 3. 주접속의 천-사이먼스 형식
다음이 주어졌다고 하자.그렇다면, 의 주접속의 공간은 에 대한 아핀 공간이지만, 이는 표준적인 원점을 갖지 않는다.
원점을 고르는 것은 주접속 의 임의의 자명화 및 각 자명화의 단면을 선택하는 것에 해당한다. 즉, 충분히 섬세한 열린 덮개 및 미분 동형 들을 고르면, 주접속 는 덮개의 각 원소 위의 값 1차 미분 형식들의 모임
:
의 데이터로 주어진다. 이에 따라, 선택한 불변 다항식 에 대한 각 조각별 천-사이먼스 형식들을 정의하여 짜깁기하여 전체에 정의된 미분 형식
:
을 얻을 수 있다.
이렇게 하여 얻은 미분 형식은 가 게이지 불변이므로 무한소 게이지 변환(즉, 항등 함수와 호모토픽한 게이지 변환 )에 대하여 자동적으로 게이지 불변이다. 그러나 이는 일반적으로 큰 게이지 변환(즉, 의 자명하지 않은 연결 성분)에 대하여 불변이지 않다. 즉, 이는 일반적으로 대역적으로 잘 정의되지 않는다.
다만, 만약 (예를 들어) 이 차원 매끄러운 다양체라면, 그 적분
:
을 생각할 수 있다. 이 경우, 큰 게이지 변환의 군
:
은 이 값 위에 작용하게 된다. 만약 의 작용이
:
의 꼴이라면, 이 경우
:
는 잘 정의된다. 이와 같은 구성은 이론물리학에서 천-사이먼스 이론의 정의에 사용되며, 큰 게이지 변환의 작용은 물리학적으로 천-사이먼스 이론의 전위(level영어)의 양자화로 귀결된다.
3. 성질
매끄러운 다양체 위의 평탄 주접속 의 (임의의 불변 다항식)에 대한) 천-사이먼스 형식은 (정의에 따라) 닫힌 미분 형식이다. 마찬가지로, 차 불변 다항식 에 대하여,
:
이라면, 천-사이먼스 형식은 최고차이므로 닫힌 미분 형식이다. 이와 같은 경우, 천-사이먼스 형식은 실수 계수 코호몰로지류를 정의한다.
4. 예
가장 자주 사용되는 천-사이먼스 형식은 다음과 같다.
:
:
:
:
여기서 는 (리 대수의 표현을 사용하여) 미분 형식의 정사각 행렬로 간주한 것들의 행렬곱이다. 즉, 리 대수의 지표는 (정사각 행렬로 표현하여) 행렬곱을 취하고, 행렬의 각 성분인 미분 형식은 쐐기곱을 취한다.
4. 1. 구체적인 천-사이먼스 형식
리 대수 의 유한 차원 표현 이 주어졌을 때, 는 대각합의 순환성에 의하여 항상 차 불변 다항식이다.따라서, 이에 대한 차 천-사이먼스 형식 을 정의할 수 있다. 즉,
:
이 된다. 여기서 이란 를 사용하여 를 2차 미분 형식의 정사각 행렬로 간주한 뒤, 행렬 곱셈과 미분 형식 쐐기곱을 합성한 연산에 대한 제곱이다.
만약 일 때, 들은 의 개 불변 다항식에 각각 대응한다. (만약 일 경우, 이 된다.)
7차 이하의 천-사이먼스 형식들은 다음과 같다.
:
:
:
:
여기서 는 (리 대수의 표현을 사용하여) 미분 형식의 정사각 행렬로 간주한 것들의 행렬곱을 의미한다. 즉, 리 대수의 지표는 (정사각 행렬로 표현하여) 행렬곱을 취하고, 행렬의 각 성분인 미분 형식은 쐐기곱을 취한다.
주어진 다양체와 그 위에 정의된 리 대수 값을 갖는 1-형식 에 대해, 일련의 ''p''-형식을 정의할 수 있다.
- 1차원에서 천-사이먼스 1-형식은 다음과 같다.
:
- 3차원에서 천-사이먼스 3-형식은 다음과 같다.
:
- 5차원에서 천-사이먼스 5-형식은 다음과 같다.
:
여기서 곡률 '''F'''는 다음과 같이 정의된다.
:
일반적인 천-사이먼스 형식 은 다음과 같이 정의된다.
:
여기서 쐐기곱은 ''Fk''를 정의하는 데 사용된다. 이 방정식의 우변은 연결 의 ''k''번째 천 특성에 비례한다.
일반적으로, 천-사이먼스 ''p''-형식은 모든 홀수 ''p''에 대해 정의된다.
4. 2. 천-사이먼스 형식의 계산
이러한 꼴의 불변 다항식에 대한 천-사이먼스 형식은 대수적으로 다음과 같이 모형화할 수 있다.하나의 등급 1의 생성원 mathsf a|mathsf a영어로 생성되는 유리수 계수 자유 미분 대수
:
를 생각하자. 이는 등급 가환 법칙을 따르지 않지만, 미분 연산 mathrm d|mathrm d영어는 멱영 연산이며 mathsf a|mathsf a영어에 대한 곱셈과 등급 가환한다. 즉,
:
:
:
이다.
이제, 다음과 같은 꼴의 항들로 생성되는 부분 벡터 공간을 생각하자.
:
(이는 대각합의 순환성에 의하여 대각합을 취하면 0이 되는 항들의 공간이며, 특히 아이디얼이 아니다. 예를 들어, 이지만 이다.) 그렇다면, 임의의 양의 정수 에 대하여,
:
가 되는 원소 가 존재함을 보일 수 있으며, 그 동치류 는 유일하다. 이것이 차 천-사이먼스 형식이 된다.
특히, 천-사이먼스 형식을 계산할 때,
:
이라는 사실이 자주 사용된다.
이를 통해, 처음 몇 개의 천-사이먼스 형식을 다음과 같이 계산할 수 있다. 여기서 편의상 이며, "대각합" 은 로 동치류를 취하는 것이다.
'''1차 천-사이먼스 형식의 계산:'''
:
'''3차 천-사이먼스 형식의 계산:'''
:
주어진 다양체와 그 위에 정의된 리 대수 값을 갖는 1-형식 에 대해, 일련의 ''p''-형식을 정의할 수 있다.
1차원에서 '''천-사이먼스''' 1-형식은 다음과 같다.
:
3차원에서 '''천-사이먼스 3-형식'''은 다음과 같다.
:
5차원에서 '''천-사이먼스 5-형식'''은 다음과 같다.
:
여기서 곡률 '''F'''는 다음과 같이 정의된다.
:
일반적인 천-사이먼스 형식 은 다음과 같이 정의된다.
:
여기서 쐐기곱은 ''Fk''를 정의하는 데 사용된다. 이 방정식의 우변은 연결 의 ''k''번째 천 특성에 비례한다.
일반적으로, 천-사이먼스 ''p''-형식은 모든 홀수 ''p''에 대해 정의된다.
5. 역사
천싱선과 제임스 해리스 사이먼스가 1974년에 도입하였다.[7] 천싱선과 사이먼스는 리만 다양체의 폰트랴긴 특성류를 조합론적으로 계산하려고 하였는데, 이러한 공식의 존재에 대한 방해물로 천-사이먼스 형식을 발견하였다.
6. 물리학에서의 응용
1978년 러시아 수리물리학자 알베르트 시바르츠는 천-사이먼스 형식을 이용하여 3차원 위상 양자장론 가운데 하나인 천-사이먼스 이론을 최초로 발견하였다.[8] 이는 3차원 양자중력과도 연결되며[9] 분수 양자 홀 효과를 설명하기도 한다.[10] 또한 양-밀스 이론과도 연결되어 topologically massive Yang-Mills theory같은 물리학 이론을 만든다.
게이지 이론에서 체른-사이먼스 형식의 적분은 전역적인 기하 불변량이며, 일반적으로 정수 덧셈을 제외하고 게이지 불변이다.
참조
[1]
웹사이트
Remarks on Chern–Simons theory
https://www.ams.org/[...]
2009-01-15
[2]
서적
A Mathematician and His Mathematical Work: Selected Papers of S.S. Chern
https://books.google[...]
World Scientific
1996
[3]
웹사이트
Chern-Simons form in nLab
https://ncatlab.org/[...]
2020-05-01
[4]
웹사이트
Introduction To Chern-Simons Theories
http://www.physics.r[...]
2019-06-07
[5]
간행물
The partition function of degenerate quadratic functional and Ray-Singer invariants
[6]
논문
Characteristic forms and geometric invariants
1974
[7]
저널
Characteristic forms and geometric invariants
https://archive.org/[...]
[8]
논문
The partition function of degenerate quadratic functional and Ray-Singer invariants
1978
[9]
논문
A Chern–Simons action for three-dimensional anti-De Sitter supergravity theories
1986
[10]
논문
Fermionic Chern-Simons Field Theory for the Fractional Hall Effect
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