纖維叢、聯絡與示性類

和樂(holonomy)

把一個向量繞著一條閉迴路搬一圈,全程平行移動使你「從未轉動它」——卻發現它回來時相對於出發處被轉動了。純粹因繞行迴路而獲得的那個淨變換,就是該迴路的和樂。在平坦平面上每條迴路的和樂都是恆等;在彎曲空間上則不然,而轉動的大小度量了所圍區域有多彎。和樂是聯絡的全域指紋。

精確地說,在 M 上的某個叢固定一個聯絡與一個基點 p。每條以 p 為基點的迴路 gamma 給出一個纖維 E_p 到自身的平行移動映射,一個可逆線性映射(對主 G-叢而言,是結構群 G 的一個元素)。取遍所有以 p 為基點的迴路,這些映射之集是 G 的一個子群,稱為和樂群 Hol_p;限制到可縮迴路上得到約化和樂群,後者是連通的。安布羅斯-辛格定理把它與曲率聯繫起來:和樂群的李代數由所有平行移動回 p 的曲率變換 R(X,Y) 張成。對圍出一個曲面元的小迴路,和樂約等於恆等加上曲率在所圍面積上的積分——曲率是無窮小的和樂。

和樂組織了大量的幾何。貝爾傑分類列出了不可約黎曼流形可能的和樂群,而特殊的(約化的)和樂釘出了一些特出的幾何:U(n) 和樂意味凱勒、SU(n) 意味卡拉比-丘、Sp(n) 意味超凱勒,而 G_2 或 Spin(7) 給出弦論中核心的例外情形。平坦聯絡恰是約化和樂為平凡者,等價於局部平行標架的存在。一個需弄清的警語:完整的和樂群可以是不連通的,其分量群反映了叢的拓樸(哪些迴路可縮),所以和樂把局部曲率資訊與全域拓樸資訊混在一起。

在單位球面上,把一個切向量繞一個測地三角形(譬如兩條子午線與一段赤道所圍的扇形)平行移動。它回來時被轉動的角度等於所圍的面積——即球面盈餘。對一個覆蓋球面八分之一的三角形(面積 pi/2),向量回來時轉了 pi/2,即四分之一圈,全程不曾手動施加任何扭轉。那個轉動就是該迴路的和樂,等於高斯曲率在所圍球冠上的積分。

繞一迴路的和樂等於曲率在它所圍曲面上的積分——這正是高斯-博內想法的微縮版。

和樂依賴於聯絡,而非僅依賴於叢:同一個叢配上兩個不同的聯絡,會有不同的和樂。而且完整的和樂群可能不連通——其單位分量(約化和樂)只看見曲率,而分量群編碼全域拓樸(不可縮的迴路),所以兩者攜帶的是真正不同的資訊。

又称
holonomy group完整性和樂群