辛幾何與接觸幾何

雷布向量場(Reeb vector field)

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接觸流形有一個扭轉的超平面場,而在每一點有一個方向橫截於超平面伸出。一旦你選定一個特定的接觸形式(不只是超平面場),就有一種典範的方式來選出那個橫截方向及其速度——雷布向量場。它的流線是接觸流形自然的「動力學」,是哈密頓軌跡的奇維類比。在力學的能量面上,雷布流本質上就是限制在那個能量階上的時間演化。

精確地說,給定 M^{2n+1} 上的接觸形式 alpha,雷布向量場 R = R_alpha 是由兩個條件 alpha(R) = 1 與 iota_R (d alpha) = 0(即 d alpha(R, .) = 0)唯一確定的向量場。第一個條件正規化它橫截於接觸超平面 xi = ker alpha 的分量;第二個說 R 落在 d alpha 的核裡,即扭轉所固定的「特徵方向」。這兩個方程恰好因為 alpha ^ (d alpha)^n 不為零而有唯一解——接觸條件正是使 R 良定義的原因。雷布流同時保持 alpha 與 d alpha,所以它以保持選定形式的接觸同胚作用。關鍵在於,R 取決於接觸形式的選擇,而不只是接觸結構:重新縮放 alpha 會劇烈改變 R。

為何重要:閉雷布軌道(週期流線)是接觸動力學的核心對象。韋恩斯坦猜想——每個閉接觸流形至少有一條閉雷布軌道——在三維中是一條深刻的定理(陶布斯),並透過接觸同調與辛場論研究;週期雷布軌道恰恰是哈密頓系統在固定能量面上的週期軌道。一個讓人絆倒的點:因為 R 取決於 alpha,關於「那些雷布軌道」的陳述隱含地固定了一個接觸形式。未參數化的特徵葉狀結構僅在有限意義下只取決於共形類,但週期、甚至短軌道的存在性,都依賴於形式——所以務必說明你指的是哪個接觸形式。

在 C^2 中的單位球面 S^3 上,標準接觸形式是 (1/2) sum (x_i dy_i - y_i dx_i) 的限制。它的雷布向量場生成霍普夫流:軌道是霍普夫纖維化 S^3 -> S^2 的大圓,而每條雷布軌道都閉合且週期相同。這是辛球的接觸邊界,而此處的閉雷布軌道是韋恩斯坦猜想最簡單的例證。

在 S^3 上雷布場是霍普夫流;所有軌道都是閉合的大圓。

雷布場取決於接觸形式,而不只是接觸結構:把 alpha 換成 f alpha(同一超平面場 xi)會完全改變 R,包括閉軌道的週期。單憑 xi 並沒有一個雷布場。

又稱
Reeb fieldcharacteristic vector field of a contact formR_alpha雷布場