Kula egzotyczna - Exotic sphere

W dziedzinie matematyki zwanej topologią różniczkową , sfera egzotyczna jest rozmaitością różniczkowalną M, która jest homeomorficzna, ale nie dyfeomorficzna ze standardową n- sferą euklidesową . Oznacza to, że M jest sferą z punktu widzenia wszystkich jej właściwości topologicznych, ale ma gładką strukturę, która nie jest znana (stąd nazwa „egzotyczny”).

Pierwsze egzotyczne kulki skonstruowano John Milnora  ( 1956 ), w wymiarze jak - grupuje się . Wykazał, że na 7-sferze istnieje co najmniej 7 różniczkowalnych struktur. W każdym wymiarze Milnor (1959) wykazał, że klasy dyfeomorfizmu zorientowanych sfer egzotycznych tworzą nietrywialne elementy monoidu abelowego o połączonej sumie, która jest skończoną grupą abelową, jeśli wymiar nie wynosi 4. Klasyfikacja sfer egzotycznych według Michela Kervaire i Milnor ( 1963 ) wykazali, że zorientowane 7-sfer egzotycznych są nietrywialnymi elementami cyklicznej grupy rzędu 28 pod działaniem sumy sprzężonej .

Wstęp

Jednostka n- sfera, , jest zbiorem wszystkich ( n +1)-krotek liczb rzeczywistych, takich jak suma . Na przykład jest okręgiem, podczas gdy jest powierzchnią zwykłej kuli o promieniu jeden w 3 wymiarach. Topologowie uważają przestrzeń X za n -sferę, jeśli każdy punkt w X może być przypisany dokładnie do jednego punktu w jednostce n -sfera w sposób ciągły , co oznacza, że ​​wystarczająco bliskie punkty w X zostaną przypisane do sąsiednich punktów w i wzajemnie. Na przykład punkt x na n- sferze o promieniu r można dopasować do punktu na jednostce n- sferze, dostosowując jego odległość od początku za pomocą .

W topologii różniczkowej dodaje się bardziej rygorystyczny warunek, że funkcje dopasowujące punkty w X do punktów w powinny być smooth , to znaczy powinny mieć wszędzie pochodne wszystkich rzędów. Aby obliczyć pochodne, trzeba mieć lokalne układy współrzędnych spójnie zdefiniowane w X . Matematycy byli zaskoczeni w 1956 roku, kiedy Milnor wykazał, że spójne układy współrzędnych można ustawić na 7-sferze na dwa różne sposoby, które były równoważne w sensie ciągłym, ale nie w sensie różniczkowalnym. Milnor i inni zaczęli próbować odkryć, ile takich egzotycznych sfer może istnieć w każdym wymiarze i zrozumieć, w jaki sposób są one ze sobą powiązane. Na 1-, 2-, 3-, 5-, 6-, 12-, 56- lub 61-sferach nie są możliwe egzotyczne struktury. Niektóre sfery z wyższych wymiarów mają tylko dwie możliwe do zróżnicowania struktury, inne mają tysiące. To, czy istnieją egzotyczne 4-sfery, a jeśli tak, to ile, jest nierozwiązanym problemem .

Klasyfikacja

Monoid struktur gładkich na n -sferach to zbiór zorientowanych gładkich n -rozmaitości, które są homeomorficzne w stosunku do n -sfery, przyjęte do dyfeomorfizmu zachowującego orientację. Operacja monoidu jest sumą połączoną . Zapewnione to monoid jest grupa i jest izomorficzny z grupą o h -cobordism klas zorientowanej homotopii n -spheres , który jest określony i abelowa. W wymiarze 4 prawie nic nie wiadomo o monoidzie gładkich sfer, poza faktami, że jest on skończony lub przeliczalnie nieskończony i abelowy, choć podejrzewa się, że jest nieskończony; zobacz sekcję dotyczącą zwrotów Gluck . Wszystkie n -sfery homotopii są homeomorficzne z n -sferą według uogólnionej hipotezy Poincarégo , udowodnionej przez Stephena Smale'a w wymiarach większych niż 4, Michaela Freedmana w wymiarze 4 i Grigori Perelmana w wymiarze 3. W wymiarze 3 Edwin E. Moise udowodnił że każda rozmaitość topologiczna ma zasadniczo unikalną strukturę gładką (patrz twierdzenie Moise'a ), więc monoid struktur gładkich na 3 sferze jest trywialny.

Rozdzielacze równoległe

Grupa ma podgrupę cykliczną

reprezentowane przez n- sfer, które wiążą rozmaitości paralelizowalne . Struktury i iloraz

są opisane oddzielnie w pracy ( Kervaire i Milnor  1963 ), która miała wpływ na rozwój teorii chirurgii . W rzeczywistości te obliczenia można sformułować we współczesnym języku pod kątem dokładnej sekwencji operacji, jak wskazano tutaj .

Grupa jest grupą cykliczną i jest trywialna lub rzędu 2 z wyjątkiem przypadku , w którym to przypadku może być duża, a jej kolejność jest związana z liczbami Bernoulliego . Jest trywialne, jeśli n jest parzyste. Jeśli n wynosi 1 mod 4, ma porządek 1 lub 2; w szczególności ma rząd 1, jeśli n wynosi 1, 5, 13, 29 lub 61, a William Browder  ( 1969 ) udowodnił, że ma rząd 2, jeśli mod 4 nie ma formy . Z prawie całkowicie rozwiązanego problemu niezmienniczego Kervaire'a wynika, że ​​ma rząd 2 dla wszystkich n większych niż 126; sprawa jest nadal otwarta. Kolejność for to

gdzie B jest licznikiem , i jest liczbą Bernoulliego . (Formuła w literaturze topologicznej różni się nieco, ponieważ topologowie używają innej konwencji nazewnictwa liczb Bernoulliego; w tym artykule zastosowano konwencję teoretyków liczb).

Mapa między ilorazami

Grupa ilorazowa ma opis w kategoriach stabilnych grup homotopii sfer modulo obraz J-homomorfizmu ; jest albo równy ilorazowi, albo indeksowi 2. Dokładniej istnieje mapa iniektywna

gdzie jest n- tą stabilną homotopijną grupą sfer, a J jest obrazem J- homomorfizmu. Podobnie jak w przypadku , obraz J jest grupą cykliczną i jest trywialny lub rzędu 2 z wyjątkiem przypadku , w którym to przypadku może być duży, a jego porządek jest związany z liczbami Bernoulliego . Grupa ilorazowa jest „twardą” częścią stabilnych grup homotopii sfer, a zatem jest twardą częścią sfer egzotycznych, ale prawie całkowicie redukuje się do obliczania grup homotopii sfer. Odwzorowanie jest albo izomorfizmem (obrazem jest cała grupa), albo odwzorowaniem injektywnym z indeksem 2. To ostatnie ma miejsce wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje n- wymiarowa rozmaitość obramowana z niezmiennikiem Kervaire'a 1, który jest znany jako Problem niezmienniczy Kervaire'a . Zatem czynnik 2 w klasyfikacji sfer egzotycznych zależy od problemu niezmienniczego Kervaire'a.

Od 2012 r. problem niezmiennika Kervaire jest prawie całkowicie rozwiązany, a tylko sprawa pozostaje otwarta; zobacz ten artykuł, aby uzyskać szczegółowe informacje. Jest to przede wszystkim praca Browdera (1969) , który dowiódł, że takie rozmaitości istnieją tylko w wymiarze , oraz Hilla, Hopkinsa i Ravenela (2016) , który dowiódł, że nie ma takich rozmaitości dla wymiaru i powyżej. Rozmaitości z niezmiennikiem Kervaire'a 1 zostały skonstruowane w wymiarze 2, 6, 14, 30 i 62, ale wymiar 126 jest otwarty, bez rozgałęzienia ani skonstruowanego, ani obalonego.

Kolejność

Kolejność grup jest podana w tej tabeli (sekwencja A001676 w OEIS ) z ( Kervaire i Milnor 1963 ) (z wyjątkiem tego, że wpis dla jest błędny o współczynnik 2 w ich pracy; patrz korekta w tomie III s. 97 dzieł zebranych Milnora).

Dim n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
zamówienie 1 1 1 1 1 1 28 2 8 6 992 1 3 2 16256 2 16 16 523264 24
1 1 1 1 1 1 28 1 2 1 992 1 1 1 8128 1 2 1 261632 1
1 1 1 1 1 1 1 2 2×2 6 1 1 3 2 2 2 2×2×2 8×2 2 24
1 2 1 1 1 2 1 2 2×2 6 1 1 3 2×2 2 2 2×2×2 8×2 2 24
indeks 2 2 2

Należy pamiętać, że dla DIM , to są , , , i . Dalsze wpisy w tej tabeli można obliczyć na podstawie powyższych informacji wraz z tabelą stabilnych homotopii grup sfer .

Obliczając stabilne grupy homotopii sfer, Wang i Xu (2017) udowadniają, że sfera S 61 ma unikalną strukturę gładką i jest to ostatnia nieparzysta sfera o tej własności – jedyne to S 1 , S 3 , S 5 i S 61 .

Jawne przykłady sfer egzotycznych

Kiedy natknąłem się na taki przykład w połowie lat 50., byłem bardzo zdziwiony i nie wiedziałem, co z tym zrobić. Na początku myślałem, że znalazłem kontrprzykład dla uogólnionej hipotezy Poincarégo w wymiarze siódmym. Jednak dokładne badania wykazały, że rozmaitość rzeczywiście była homeomorficzna z . Zatem istnieje struktura różniczkowalna na nieróżnicującej się od standardowej.

John Milnor ( 2009 , s.12)

Konstrukcja Milnora

Jednym z pierwszych przykładów egzotycznej sfery znalezionej przez Milnora (1956 , sekcja 3) była następująca. Niech będzie kulą jednostkową w , i niech będzie jej granicą — 3-sferą, którą utożsamiamy z grupą kwaternionów jednostkowych . Teraz weź dwie kopie , każda z borderem , i sklej je razem, identyfikując w pierwszej granicy z drugą granicą. Powstała rozmaitość ma naturalną gładką strukturę i jest homeomorficzna z , ale nie dyfeomorficzna z . Milnor wykazał, że nie jest to granica żadnej gładkiej 8-rozmaitościowej ze znikającą czwartą liczbą Bettiego i nie ma w sobie żadnego dyfeomorfizmu odwracającego orientację; każda z tych właściwości oznacza, że ​​nie jest to standardowa siódemka. Milnor wykazał, że ta rozmaitość ma funkcję Morse'a z zaledwie dwoma punktami krytycznymi , oba niezdegenerowane, co implikuje, że jest topologicznie sferą.

Kule Brieskorna

Jak pokazuje Egbert Brieskorn  ( 1966 , 1966b ) (patrz także ( Hirzebruch i Mayer 1968 )) przecięcie złożonej rozmaitości punktów w spełnianiu

z małą kulą wokół początku dla daje wszystkie 28 możliwych gładkich struktur na zorientowanej 7-sferze. Podobne rozmaitości nazywane są sferami Brieskorna .

Skręcone kule

Przy danym (zachowującym orientację) dyfeomorfizmie sklejenie ze sobą granic dwóch kopii standardowego dysku za pomocą f daje rozmaitość zwaną skręconą sferą (z skręceniem f ). Jest to homotopia równoważna standardowej n -sferze, ponieważ mapa sklejania jest homotopiczna do tożsamości (będąc dyfeomorfizmem zachowującym orientację, a więc stopniem 1), ale ogólnie nie jest dyfeomorficzna do standardowej sfery. ( Milnor 1959b ) Ustawiając jako grupę skręconych n -kul (pod sumą łączenia), otrzymujemy dokładną sekwencję

Bo każda egzotyczna n- sfera jest dyfeomorficzna do skręconej sfery, co udowodnił Stephen Smale, co można uznać za konsekwencję twierdzenia h- cobordism . (W przeciwieństwie do tego, w ustawieniu odcinkowo-liniowym najbardziej wysunięta na lewo mapa jest na promieniowym przedłużeniu : każda odcinkowo-liniowo-skręcona sfera jest standardem.) Grupa skręconych sfer jest zawsze izomorficzna z grupą . Notacje są różne, ponieważ początkowo nie było wiadomo, że są takie same dla lub 4; na przykład przypadek jest równoznaczny z hipotezą Poincarégo .

W 1970 Jean Cerf udowodnił twierdzenie pseudoizotopowe, z którego wynika, że jest to podana grupa trywialna , a więc podana .

Aplikacje

Jeśli M jest odcinkową rozmaitością liniową, to problem znalezienia zgodnych struktur gładkich na M zależy od znajomości grup Γ k = Θ k . Dokładniej przeszkód na istnienie śliskiej struktury znajduje się w grupach H k + 1 ( M , Γ k ) , dla różnych wartości K , podczas gdy w przypadku tak gładka konstrukcja występuje wówczas wszystkie takie gładkie struktury mogą być klasyfikowane za pomocą grupy H k ( M , Γ k ) . W szczególności grupy Γ k znikają, jeśli k < 7 , więc wszystkie rozmaitości PL o wymiarze co najwyżej 7 mają gładką strukturę, która jest zasadniczo unikalna, jeśli rozmaitość ma wymiar co najwyżej 6.

Następujące skończone grupy abelowe są zasadniczo takie same:

  • Θ grupa n klas h bordyzm zorientowanego homotopii n -spheres.
  • Grupa klas h-kobordyzmu zorientowanych n- sfer.
  • Grupa Γ n skręconych zorientowanych n -kul.
  • Grupa homotopii π n (PL/DIFF)
  • Jeśli n 3 , grupa homotopii π n (TOP/DIFF) (jeśli n = 3 ta grupa ma rząd 2; patrz niezmiennik Kirby-Siebenmanna ).
  • Grupa gładkich struktur zorientowanej PL n -sfery.
  • Jeśli n ≠ 4 , grupa gładkich struktur zorientowanej topologicznej n -sfery.
  • Jeśli n ≠ 5 , grupa składowych grupy wszystkich dyfeomorfizmów S n −1 zachowujących orientację .

4-wymiarowe kule egzotyczne i skręty Glucka

W 4 wymiarach nie wiadomo, czy na 4-sferze istnieją jakieś egzotyczne gładkie struktury. Stwierdzenie, że nie istnieją, jest znane jako „gładka hipoteza Poincarégo” i jest omawiane przez Michaela Freedmana , Roberta Gompfa i Scotta Morrisona i in. ( 2010 ), którzy twierdzą, że uważa się je za fałszywe.

Niektórymi kandydatami zaproponowanymi na egzotyczne 4-sfery są sfery Cappella-Shanesona ( Sylvain Cappell i Julius Shaneson  ( 1976 )) oraz te wyprowadzone przez skręty Glucka ( Gluck 1962 ). Kule Glucka Twist są konstruowane przez wycięcie rurowego sąsiedztwa 2-kuli S w S 4 i przyklejenie go z powrotem przy użyciu dyfeomorfizmu jej granicy S 2 × S 1 . Wynik jest zawsze homeomorficzny do S 4 . Wiele przypadków na przestrzeni lat zostało wykluczonych jako możliwe kontrprzykłady dla gładkiej czterowymiarowej hipotezy Poincarégo. Na przykład Cameron Gordon  ( 1976 ), José Montesinos ( 1983 ), Steven P. Plotnick ( 1984 ), Gompf (1991) , Habiro, Marumoto i Yamada (2000) , Selman Akbulut  ( 2010 ), Gompf (2010) , Kim i Yamada (2017) .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki