黎曼幾何:列維-奇維塔聯絡與曲率

愛因斯坦流形(Einstein manifold)

在所有黎曼度量中,有些特別均衡:它們的里奇曲率在每個方向都相同,與度量本身成比例。這些就是愛因斯坦流形。此名向愛因斯坦的重力致敬,那裡的真空場方程(帶宇宙常數)恰好說的就是這件事——里奇張量是度量的常數倍——所以愛因斯坦流形是均勻、無源重力宇宙的幾何模型。

黎曼流形 (M, g) 稱為愛因斯坦的,若 Ric = lambda g 對某常數 lambda 成立,即里奇張量處處是一個固定純量乘以度量。取跡得 lambda = S/n,其中 S 是純量曲率、n 是維度,所以愛因斯坦流形自動具有「常」純量曲率。在維度 n >= 3 時,透過第二比安基恆等式(舒爾引理)有一個漂亮的剛性:若 Ric = f g 對某函數 f 成立,則 f 被迫為常數,所以你只需逐點的比例性、而非常數性,就能斷定流形是愛因斯坦的。二維與三維是退化情形:每個曲面平凡地是愛因斯坦的,而三維中愛因斯坦已迫使常截面曲率。

為何重要與一個誠實的提醒。愛因斯坦度量是總純量曲率泛函的臨界點,在幾何與物理中居核心地位,而在給定流形上找到它們是困難的偏微分方程問題。關鍵的誠實:「愛因斯坦」只限制曲率的里奇(跡)部分,所以在維度 n >= 4 時,愛因斯坦流形一般「不」具常截面曲率——無跡的韋爾曲率不受限制。常曲率空間形式是愛因斯坦的,但逆命題嚴重失敗:K3 曲面與許多其他流形是愛因斯坦的卻不是空間形式。

圓球面、平坦空間與雙曲空間都是愛因斯坦的(lambda 分別為正、零、負)。但帶富比尼-施塔迪度量的複射影空間、以及帶卡拉比-丘里奇平坦度量的 K3 曲面(lambda = 0)也是——而這些絕「不」是常曲率的,顯示在維度 >= 4 時愛因斯坦嚴格弱於空間形式。

空間形式是愛因斯坦的,但愛因斯坦嚴格更廣:K3 與 CP^n 是愛因斯坦的卻無常曲率。

愛因斯坦只限制里奇/跡部分;韋爾曲率自由。所以在維度 >= 4 時,愛因斯坦並「不」意味常截面曲率——那個更強的條件才定義空間形式。

又稱
Einstein metric愛因斯坦度量