Zusammenhang (Prinzipalbündel)
In der Differentialgeometrie ist der Zusammenhang ein Konzept, mit dem Paralleltransport zwischen den Fasern eines Prinzipalbündels erklärt werden kann. In der Physik werden solche Zusammenhänge zur Beschreibung von Feldern bei den Yang-Mills-Theorien verwendet.
Definition
Sei ein Prinzipalbündel mit der Strukturgruppe . Die Gruppe wirke durch
- .
Ferner bezeichne die Lie-Algebra der Lie-Gruppe .
Ein Zusammenhang ist dann eine -wertige 1-Form , die -äquivariant ist und deren Einschränkung auf die Fasern mit der Maurer-Cartan-Form übereinstimmt. Es sollen also die beiden folgenden Bedingungen erfüllt sein:
- für alle
und
- für alle .
Hierbei ist definiert durch . bezeichnet das Differential von . ist die adjungierte Wirkung und ist das sogenannte fundamentale Vektorfeld. Es wird durch
- für
auf definiert.
Krümmung
Die Krümmung einer Zusammenhangsform ist definiert durch
Hierbei ist der Kommutator Lie-algebra-wertiger Differentialformen durch
und die äußere Ableitung durch
definiert.
Die Krümmungsform ist -invariant und definiert deshalb eine 2-Form auf .
Bianchi-Identität
Zusammenhangs- und Krümmungsform genügen der Gleichung
- .
Horizontale Unterräume
Für eine Zusammenhangsform auf einem -Prinzipalbündel sind die horizontalen Unterräume definiert durch
- .
Die horizontalen Unterräume sind transversal zu den Tangentialräumen der Fasern von , und sie sind -invariant, d.h. für alle .
Aus den horizontalen Unterräumen kann man die Zusammenhangsform zurückgewinnen (nach Identifikation des Tangentialraums der Faser mit ) durch Projektion von entlang auf den Tangentialraum der Faser.
Paralleltransport
Zu jedem Weg und jedem gibt es einen Weg mit und . (Das folgt aus dem Existenz- und Eindeutigkeitssatz für gewöhnliche Differentialgleichungen.)
Insbesondere hat man zu jedem Weg eine durch
definierte Abbildung
- ,
den sogenannten Paralleltransport entlang des Weges .
Zu einem Punkt definiert man die Holonomiegruppe als Untergruppe der Diffeomorphismen der Faser wie folgt. Zu einem geschlossenen Weg mit und einem gibt es eine eindeutige Hochhebung mit und wir definieren . Die Gruppe der für alle ist die Holonomiegruppe.
Riemannscher Zusammenhang
Für eine riemannsche Mannigfaltigkeit ist das Rahmenbündel ein Prinzipalbündel mit der linearen Gruppe .
Sei die Matrix, die mit Hilfe einer lokalen Basis durch
definiert wird, wobei der Levi-Civita-Zusammenhang ist, so wird durch
die riemannsche Zusammenhangform definiert. Es gilt
- .
Seien lokale Koordinaten in einer Umgebung von und die kanonischen 1-Formen des Rahmenbündels, dann hängt die Krümmungsform des Levi-Civita-Zusammenhangs mit dem Riemannschen Krümmungstensor über die Gleichung zusammen.
Literatur
- David Bleecker (1981). Gauge Theory and Variational Principles. Addison-Wesley Publishing. ISBN 0-486-44546-1 (Dover edition).
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 18.08. 2021