動量映射(moment map)
諾特原理說,力學系統的每個連續對稱都給出一個守恆量:旋轉對稱給出角動量,平移對稱給出線動量。動量映射是一次性產生所有這些守恆量的幾何機器。當一個對稱群 G 作用在辛流形上時,動量映射是從流形到 G 的李代數對偶的單一映射,其分量恰恰是生成每個對稱單參數子群的守恆動量。
精確地說,假設李群 G 以辛同胚作用在 (M, omega) 上,李代數為 g。每個 xi 屬於 g 在 M 上生成一個向量場 X_xi(無窮小作用)。此作用是哈密頓的,若存在動量映射 mu: M -> g^*(李代數的對偶),使得對每個 xi 屬於 g,函數 <mu, xi>(mu 與 xi 的配對,M 上的函數)是 X_xi 的哈密頓量:即 d<mu, xi> = iota_{X_xi} omega。通常還要求 mu 對 G 在 g^* 上的餘伴隨作用是等變的。具體地,mu 的每個分量是繫於一個對稱方向的守恆量。對旋轉 R^6 的 SO(3),mu 就是角動量向量;對平移則是線動量——「動量映射」之名正源於此。
為何重要:動量映射是現代對稱約化的樞紐。它的水平集 mu^{-1}(0) 對 G 取商,就是馬斯登-韋恩斯坦約化的約化相空間,是嚴格「除掉」對稱的方法。它編碼諾特定理(每當 H 是 G-不變時,mu 沿哈密頓流為常數,因其分量與 H 卜瓦松對易),並透過凸性定理(阿蒂亞、吉耶曼-斯特恩伯格)使環面作用的 mu 的像成為凸多胞形,把辛幾何連到組合學與環簇。一個提醒:並非每個辛作用都是哈密頓的——動量映射未必存在(可能有 H^1(M) 或 H^2(g) 中的上同調障礙),而存在時它可能僅在相差一個常數(中心元的平移)意義下唯一,且未經調整可能不等變。
令 SO(3) 作用在空間中粒子的相空間 R^6 = T*R^3 上,同時旋轉位置 q 與動量 p。此作用是哈密頓的,其動量映射 mu: R^6 -> so(3)^* = R^3 是 mu(q, p) = q x p,即角動量向量。每個分量 <mu, xi> 生成繞對應軸的旋轉,而若哈密頓量 H 旋轉不變,則角動量 q x p 守恆——諾特定理,直接從動量映射讀出。
對 R^6 上的 SO(3),mu(q, p) = q x p 就是角動量——把諾特定理幾何化。
辛作用未必容許動量映射:其存在可能受阻(作用僅是辛的而非哈密頓的),即使 mu 存在,除非你施加等變性,否則它僅在 g^* 中相差一個加法常數意義下確定。「辛作用」與「哈密頓作用」並非同義。