八種瑟斯頓幾何
/ THERS-tun /
在二維中,曲面恰能由三種均勻模型幾何建成——圓球面(正曲率)、平坦平面(零)、雙曲平面(負)——而每個閉曲面恰穿戴其一。瑟斯頓發現了三維的對應:不是三種而是「八種」模型幾何,且與曲面不同,單一的三維流形可能須被切成數片、每片以不同的一種為模型。這八種齊性幾何是所有閉三維流形的構件。
精確地說,此處的模型幾何是一個單連通齊性黎曼三維流形 (X, G),其中 G 為完整等距群、G 可遞作用、各點穩定化子緊緻,且 X 至少承載一個對離散子群的緊緻商(極大性與緊緻商條件正是把名單削減到八種的關鍵)。八種是:常曲率三人組 S^3、E^3(歐氏)與 H^3(雙曲);兩種乘積幾何 S^2 x R 與 H^2 x R;以及三種扭轉幾何——SL(2,R) 的萬有覆疊(纖維化於 H^2 上)、Nil(海森堡幾何,纖維化於 E^2 上)與 Sol(對稱性最少的可解幾何)。每一種作為局部模型都是剛性的:以其一為模型的流形把該幾何作為 (G,X)結構承載。
它們的重要性在於統御「整個」三維流形拓樸。八種中有六種(除 H^3 與 Sol 外的一切)是「小」的塞弗特纖維或其他特殊幾何,只支持非常受限的流形;H^3 則是壓倒性的一般情形,是「大多數」三維流形的幾何。幾何化定理說:每個閉可定向三維流形都典範地(沿球面與環面)分解成數片、每片恰承載八種之一——故理解三維流形便化約為理解這八種模型加上它們如何黏合。
三維環面 T^3 = R^3 / Z^3 以 E^3(歐氏)為模型;乘積 S^2 x S^1 以 S^2 x R 為模型;雙曲曲面的單位切叢以 SL(2,R) 的萬有覆疊為模型;而一個閉可定向曲面在圓上的纖維叢、其單值性為環面的阿諾索夫(雙曲)映射者,以 Sol 為模型。相對地,像八字結補這樣的紐結補則以 H^3 為模型——一般的雙曲情形。
每種幾何各一例:T^3(E^3)、S^2 x S^1(S^2 x R)、環面叢(Sol)、八字結補(H^3)。
瑟斯頓意義下有八種三維模型幾何,但這「並非」聲稱每個閉三維流形都是幾何的——大多數不是。正確的陳述(幾何化)是每個這樣的流形分解成數片幾何塊;單一流形可同時需要八種中的好幾種。