Функциональный анализ

Некоммутативная геометрия Конна

Цели урока

  • Понять конструкцию спектральной тройки (A, H, D) и её компоненты
  • Знать метрику Конна d(x,y) и её связь с геодезическим расстоянием
  • Освоить интеграл Диксмье и спектральную размерность
  • Понимать как Стандартная модель физики кодируется в спектральной тройке

Предварительные знания

  • C*-алгебры и теорема Гельфанда-Наймарка
  • Самосопряжённые операторы и спектральная теорема
  • K-теория операторов
  • C*-алгебры и алгебры фон Неймана
  • Спектральная теория самосопряжённых операторов

Почему 17 элементарных частиц Стандартной модели физики можно вывести из одного геометрического объекта - спектральной тройки над 12-мерной алгеброй?

  • Стандартная модель физики (Конн-Маркол, 2007): лагранжиан всех частиц и взаимодействий получается из спектрального действия Tr(f(D/Lambda^2))
  • Топологические изоляторы: K-теория спектральных троек классифицирует топологические фазы материи (нобелевский класс задач 2016)
  • Квантовый тор: некоммутативная геометрия квазипериодических систем, фракталов Кантора, листований - области с некоммутативными 'координатами'
  • Спектральный метод в машинном обучении: Laplacian Eigenmaps и Graph Neural Networks - дискретные аналоги спектральных троек на графах

Путь Конна от алгебр фон Неймана к физике

Ален Конн начал с классификации факторов типа III в 1970-х, получив за это Филдсовскую медаль (1982). Циклическая когомология (1983) - его некоммутативный аналог когомологий де Рама. Спектральные тройки появились в конце 1980-х как попытка описать 'квантовые пространства' операторным языком. В 1994 году вышла книга 'Noncommutative Geometry', систематизировавшая всё. В 1997 году Конн и Лотт, а затем Конн и Маркол (2007) показали: стандартная модель = спектральная тройка. Это не случайность - программа Конна предсказала массу бозона Хиггса 170 ГэВ в 2008 году; после открытия в 2012 году (125 ГэВ) потребовала уточнения тройки.

Спектральные тройки Конна

Ален Конн в 1994 году получил Филдсовскую медаль. Его программа: заменить геометрическое пространство алгеброй функций на нём - и обобщить эту конструкцию на некоммутативные алгебры. Результат: стандартная модель физики элементарных частиц записывается как спектральная тройка над C*-алгеброй.

Классический случай: риманово многообразие

Спектральная тройка для M

Для гладкого компактного риманова многообразия M: A = C^inf(M), H = L^2(M, S) - спиноры, D = оператор Дирака на M. Метрика Конна совпадает с геодезическим расстоянием. Интеграл Диксмье совпадает с интегралом по M. Это подтверждает: классическая геометрия - частный случай некоммутативной.

Некоммутативная геометрия переворачивает обычную логику: вместо изучения пространств изучаем алгебры функций на них. Для некоммутативных алгебр 'пространства' нет - но геометрия есть. Квантовые группы, группоиды, листования - всё имеет некоммутативный геометрический смысл.

Условие [D, a] in B(H) в спектральной тройке является некоммутативным аналогом чего?

На классическом многообразии [D, f] = grad(f) (точнее, символ Клиффорда градиента). Ограниченность [D, a] - аналог конечности нормы градиента, то есть липшицевости.

Некоммутативная интеграция: следы и размерность

Классический интеграл integral f(x) dx - след оператора умножения в подходящем смысле. Конн показал: интеграл по n-мерному многообразию = след Диксмье Tr_omega(f * |D|^{-n}). Это позволяет определить интеграл для 'пространств', где нет точек, - квантованных многообразий, фракталов, листований.

ПространствоАлгебра AОператор DСпектральная размерность
Окружность S^1C^inf(S^1)-i d/dx1
Сфера S^nC^inf(S^n)Оператор Дирака на S^nn
Двуточечное пространствоC^2Lambda * sigma_10
Тор T^nC^inf(T^n)-i * nablan
Квантовый тор A_thetaВращательная алгебраДеформированный D2

Что такое след Диксмье Tr_omega(T)?

След Диксмье: Tr_omega(T) = lim_omega (1/log N) * sum_{n<=N} mu_n(T). Регуляризует логарифмически расходящийся ряд. На n-мерном многообразии Tr_omega(f*|D|^{-n}) = c_n * integral f.

Стандартная модель как спектральная тройка

2007 год. Конн и Маркол публикуют: лагранжиан стандартной модели физики элементарных частиц (17 частиц, 4 взаимодействия) получается из спектральной тройки с алгеброй A = C tensor H tensor M_3(C), где H - кватернионы. Это не подгонка - алгебраические условия однозначно фиксируют частицы и константы связи.

Стандартная модель как спектральная тройка: A = C + H + M_3(C) (прямая сумма), H = L^2(M) tensor F (спиноры + внутренние степени свободы), D = D_M tensor 1 + gamma_5 tensor D_F. Оператор Дирака D_F кодирует массы фермионов и матрицу смешивания CKM. Сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия появляются как внутренние симметрии флуктуаций оператора Дирака.

Что фиксирует спектральное действие S = Tr(f(D_A/Lambda^2)) при разложении по Lambda?

Разложение S[D_A] = Tr(f(D_A/Lambda^2)) по Lambda дает: Lambda^4 * (объём), Lambda^2 * (действие Янга-Миллса), Lambda^0 * (лагранжиан Стандартной модели + Эйнштейн-Гильберт) + убывающие поправки.

Циклическая когомология и индексная теорема

Индексная теорема Атья-Зингера (1963) вычисляет индекс эллиптических операторов через топологические инварианты. Конн обобщил её на некоммутативный случай через циклическую когомологию - некоммутативный аналог когомологий де Рама. Это открыло некоммутативную версию геометрии листований и квантовых пространств.

Теорема Конна об индексе для спектральных троек: ind(D^+) = <tau, ch([e])>, где tau - циклический коцикл, ch - некоммутативный характер Черна. Это некоммутативное обобщение теоремы Гаусса-Бонне: для 0-мерной тройки получается формула для числа Эйлера.

Что вычисляет индексная теорема Атья-Зингера?

Теорема Атья-Зингера: ind(D) = dim ker D - dim ker D* = integral hat{A}(M) ^ ch(E). Аналитический индекс (размерности ядра) = топологический (интеграл от хар. классов).

Связи с другими темами

Некоммутативная геометрия объединяет алгебру, геометрию и физику.

  • C*-алгебры и алгебры фон Неймана — Спектральные тройки строятся на C*-алгебрах вместо коммутативных алгебр функций
  • K-теория операторов — Циклические когомологии Конна спарены с K-теорией через формулы Чжень-Конна
  • Свободная вероятность — Свободная вероятность - вероятностное расширение конновской неабелевой геометрии

Итоги

  • Спектральная тройка (A, H, D): алгебра + гильбертово пространство + самосопряжённый оператор Дирака
  • Метрика Конна: d(x,y) = sup{|f(x)-f(y)| : ||[D,f]|| <= 1}; обобщает геодезическое расстояние
  • Интеграл Диксмье: Tr_omega(f*|D|^{-n}) = c_n * integral f; некоммутативная интеграция
  • Стандартная модель: A = C + H + M_3(C); спектральное действие = лагранжиан + гравитация
  • Индексная теорема: ind(D) = <[D], K_0(A)>; аналит. = топол. через циклическую когомологию

Вопросы для размышления

  • В чём принципиальная разница между обычным геодезическим расстоянием и метрикой Конна, и что метрика Конна 'чувствует' в некоммутативном случае?
  • Как из одного объекта - спектральной тройки - получается и геометрия пространства-времени, и внутренняя структура элементарных частиц?
  • Что означает нецелая спектральная размерность для фрактала Кантора?

Связанные уроки

  • fa-25 — Спектральные тройки строятся над C*-алгебрами
  • fa-28 — K-теория C*-алгебр - инструмент некоммутативной геометрии
  • fa-24 — Оператор Дирака - самосопряжённый оператор со спектральной теорией
Некоммутативная геометрия Конна

0

1

Войти