曲率形式(curvature form)
曲率是阻止彎曲空間變平坦的東西,被局部化、無窮小化。取和樂的想法——繞迴路平行移動使向量轉動回來——再把迴路縮成一點:在極限下,每單位所圍面積的轉動就是曲率。它度量聯絡所選的水平方向有多麼無法拼成可積的切片。曲率消失之處,叢局部上是平凡且帶平坦聯絡的;不消失之處,無論怎麼選局部標架都無法使聯絡消失。
精確地說,對主叢上的聯絡 1-形式 omega,曲率是由卡坦結構方程 Omega = d omega + omega ^ omega 給出的取值於 g 之 2-形式 Omega(此處的楔積把形式楔積與 g 的李括號結合起來;對矩陣群它字面上就是形式的矩陣乘法,常寫成 (1/2)[omega, omega])。在帶規範勢 A 的局部平凡化中,它讀作 F = dA + A ^ A,即規範理論的場強;對阿貝爾群,二次項消失而 F = dA。與聯絡不同,曲率「是」張量:在規範變換 h 下它齊次地變換,F -> h^{-1} F h,沒有非齊次的導數項。在向量叢上,同一物件是取值於 End(E) 的 2-形式 R(X,Y) = nabla_X nabla_Y - nabla_Y nabla_X - nabla_{[X,Y]},即協變導數不可交換的失敗。
曲率是其後一切的源頭。陳-韋伊理論把它餵入不變多項式以產生示性類;比安基恆等式 d Omega + [omega, Omega] = 0 約束它;而在物理中 F 是電磁或楊-米爾斯場強,其平方就是作用量。兩個誠實的警告:其一,曲率是局部的、逐點的量,而和樂是它的全域積分——別把兩者混為一談。其二,符號與係數約定(二次項是否帶 1/2、括號的符號)在小林-野水、Lee 與物理文獻之間各異,所以在相信任何公式之前,務必先言明你用的是哪種約定。
對一個 U(1)(阿貝爾)聯絡,局部寫 A = A_mu dx^mu;則 F = dA 的分量為 F_{mu nu} = partial_mu A_nu - partial_nu A_mu——這正是電磁場張量,電場與磁場是它的條目。馬克士威方程 dF = 0(馬克士威方程的一半)在此就是比安基恆等式,因為 F = dA 且 d^2 = 0 而自動成立。
電磁學是 U(1) 聯絡的曲率;其場強 F = dA 是一個曲率 2-形式。
曲率是張量(齊次變換),而聯絡不是——所以「曲率為零」是個無關座標、規範不變的陳述(聯絡局部平坦),但「聯絡為零」不是。此外曲率是逐點的,和樂是它的迴路積分。並請留意約定:二次項上的 1/2 與括號符號因教科書而異。