形式陈述
一个Lie群的所有无穷小对称性,能否由同一组Hamilton函数统一描述?设 Lie 群 G 在辛流形 ( M , ω ) 上光滑左作用 公理库 群作用 Group action 群元素以保持单位元与乘法的方式作用于集合。 ,并保持 ω 。记其Lie 代数 公理库 Lie 群的 Lie 代数 Lie algebra of a Lie group 用左平移把单位元切向量延拓为向量场,由向量场括号导出矩阵交换子和旋转的无穷小结构。 为 g ,用指数映射 公理库 Lie 群的指数映射 Exponential map of a Lie group 由唯一一参数子群定义指数映射,计算旋转的指数,并区分单位元附近的可逆性与全局满射性。 定义生成场
ξ M ( x ) = d d t | t = 0 exp ( t ξ ) ⋅ x . 采用Hamilton场 公理库 辛向量场与 Hamilton 向量场 Symplectic vector field · Hamiltonian vector field 用闭一形式与恰当一形式区分辛场和Hamilton场,解释环面平移的全局障碍及流完备性的独立条件。 约定 ι X H ω = d H 。动量映射是一个光滑映射 μ : M → g ∗ ,其中 g ∗ 是对偶空间 公理库 对偶空间 Dual space 给定向量空间到标量域的全部线性泛函组成的向量空间。 ,也就是 G 在单位元处的余切空间 公理库 切丛与余切丛 Tangent bundle · Cotangent bundle 把流形各点的切空间及其对偶分别粘合成秩等于流形维数的光滑向量丛。 T e ∗ G ;这里没有借助度量把它与 g 识别。要求
(1) d μ ξ = ι ξ M ω , μ ξ ( x ) = ⟨ μ ( x ) , ξ ⟩ , 以及等变性
(2) ⟨ μ ( g ⋅ x ) , ξ ⟩ = ⟨ μ ( x ) , Ad g − 1 ξ ⟩ . 式(2)使用伴随表示 公理库 Lie 群的伴随表示 Adjoint representation of a Lie group 把群共轭在单位元处微分成 Ad,并以 SU(2) 的实际矩阵计算解释 Ad(exp X)=exp(ad X) 与中心的关系。 的逆元素作用,再沿对偶映射 公理库 对偶空间 Dual space 给定向量空间到标量域的全部线性泛函组成的向量空间。 拉回;它也明确了本页余伴随作用的约定。具备这样的映射时,称作用为Hamilton作用。
式(1)要求每个生成场都是Hamilton场,并且函数对 ξ 线性。式(2)进一步要求这组函数随群作用相容地变化;仅逐个找到Hamilton函数还不够。
直觉
动量映射把“每个无穷小方向各有一个守恒量”收集成一个取值于 g ∗ 的对象。把 μ ( x ) 与一个方向 ξ 配对,就取出产生该方向运动的Hamilton函数。
函数添加常数不改变向量场,所以先找到原始函数还留有自由度。等变性要求这些常数与群的代数结构配合。有时可以选择合适常数,有时障碍无法消去。
例子与边界
负向圆周转动给出正的平方范数
取 n ≥ 1 ,令 S 1 = R / 2 π Z 作用于 C n :
t ⋅ ( z 1 , … , z n ) = ( e − i t z 1 , … , e − i t z n ) , ω = ∑ j d x j ∧ d y j . 生成元 1 ∈ R 对应
X = ∑ j ( y j ∂ x j − x j ∂ y j ) . 因此
ι X ω = ∑ j ( y j d y j + x j d x j ) = d ( 1 2 ∑ j | z j | 2 ) , 可取 μ ( z ) = | z | 2 / 2 。圆周群余伴随作用平凡,而范数在转动下不变,所以等变性也成立。
正值 c 的水平集是半径 2 c 的球面;零水平只有原点。若把作用改成 e i t z ,生成场反号,相同收缩约定下的动量函数就应取 − | z | 2 / 2 ,不能仍用原来的正号。
全部生成场Hamilton,仍可能没有等变动量映射
令加法群 G = R 2 在 ( q , p ) 平面上平移。两个基生成场为 ∂ q 、∂ p ,相应Hamilton函数可取 p 、− q ,所以式(1)允许 μ = ( p , − q ) 。
但是 G 交换,余伴随作用平凡,等变性会要求 μ 在所有平移下不变。平移作用传递,这迫使 μ 常值,与式(1)矛盾。添加常数不能改变这个结论。
用Poisson括号 公理库 辛流形上的 Poisson 括号 Poisson bracket on a symplectic manifold 从Hamilton场定义Poisson括号,逐式核验反同态负号、Jacobi恒等式与角动量守恒。 也能立即看到障碍:{ p , − q } = 1 ,而Lie代数的括号为零,等变性应要求这个Poisson括号为零。
另一种更早发生的失败是 T 2 上沿 q 方向的圆周平移:收缩得到 d p ,沿闭路积分为1,连式(1)所需的全局Hamilton函数都不存在。
推论与应用
等变性如何变成函数括号关系
对式(2)沿 g = exp ( t η ) 求导:
η M ( μ ξ ) = μ [ ξ , η ] . 由于 η M = X μ η ,左端就是 { μ ξ , μ η } ,故
(3) { μ ξ , μ η } = μ [ ξ , η ] . 这里左作用的生成场映射满足 [ ξ M , η M ] = − [ ξ , η ] M ;它与Hamilton场反同态的负号彼此抵消,因而式(3)是正号。
若只给出满足式(1)的线性函数族,式(3)两边所生成的Hamilton场仍相同,所以它们的差在每个连通分支上为常数。平面平移例子的常数1正是这种缺陷。对于连通群,式(3)可以沿一参数子群积分恢复等变性;不连通群还要检查其余分支。
若 M 连通,两个满足式(1)的映射相差常向量 λ ∈ g ∗ 。若它们都满足式(2),该常向量必须被余伴随作用固定;任意常向量不一定允许。
守恒律与约化
若Hamilton函数 H 在群作用下不变,则 ξ M ( H ) = 0 。由反对称性,
X H ( μ ξ ) = { μ ξ , H } = − { H , μ ξ } = − ξ M ( H ) = 0. 所以全部动量分量沿 H 的运动守恒。固定一个动量值后,轨线留在相应水平集;辛约化 公理库 Marsden–Weinstein 辛约化 Marsden–Weinstein reduction · Symplectic reduction 证明动量水平集的全部退化方向正是对称轨道,完成C2到CP1的约化、局部形式与面积计算。 再商掉对称轨道,并检查哪些条件让剩下的空间仍然辛。
参考资料