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1972-1977 | Studium der Mathematik |
1977 | Diplom |
1981 | Promotion (Dr. rer. nat.) |
1989 | Promotion B |
1980-1989 | wissenschaftliche Assistentin |
1989-1993 | wissenschaftliche Oberassistentin, alles an der Humboldt-Universität zu Berlin |
seit 1993 | Professorin (C3) für Mathematik/Globale Analysis an der Humboldt-Universität zu Berlin |
Projekt:
Spinorielle Feldgleichungen in der pseudo-Riemannschen Geometrie |
Beteiligte Wissenschaftler: Dr. Ines Kath, Tobias Kunstmann (Doktorand
1.1.98 - 31.9.98), Felipe Leitner (Doktorand seit 1.4.1998), Thomas Leistner
(Doktorand seit 1.6.1999)
Diplomanden seit 1997: Tobias Kunstmann, Felipe Leitner, Christoph
Bohle (FU), Thomas Leistner, Carsten Lange (FU), Bruno Hartmann, Frederik
Witt, Thomas Neukirchner
In dem Projekt wird die Lösbarkeit von spinoriellen Feldgleichungen über Mannigfaltigkeiten mit indefiniten Metriken, insbesondere über Lorentz-Mannigfaltigkeiten, untersucht. Dabei geht es um den Zusammenhang zwischen den analytischen Eigenschaften dieser Lösungen und der Geometrie der zugrundeliegenden Mannigfaltigkeit. Das Interesse an solchen spinoriellen Feldgleichungen (Diracgleichung, Twistorgleichung, Killinggleichung usw.) stammt ursprünglich aus der mathematischen Physik (Relativistische Quantenmechanik, Supergravitationstheorien, Stringtheorien). Ihre Untersuchung wirft auch unabhängig von physikalischen Motivationen interessante differentialgeometrische, analytische und darstellungstheoretische Fragen auf. Bei der Untersuchung solcher Feldgleichungen im Kontext indefiniter Geometrien treten grundsätzlich andere analytische und geometrische Effekte auf als bei entsprechenden Untersuchungen in der Riemannschen Geometrie, die vergleichsweise weit fortgeschritten sind. Diese Effekte sind bisher im wesentlichen unverstanden, mathematische Methoden zu ihrer Bearbeitung nur in Ansätzen entwickelt. Im einzelnen haben wir in unserer Arbeitsgruppe folgende Teilprojekte bearbeitet:
1. Normal-hyperbolische Differentialoperatoren, insbesondere die
Gültigkeit des Huygensschen Prinzips für den Dirac-Operator einer
Lorentz-Mannigfaltigkeit
Huygenssche Opearatoren sind spezielle normal-hyperbolische Differentialoperatoren
auf Lorentz-Mannigfaltigkeiten, die dadurch charakterisiert sind, daß
die Träger der Fundamentallösungen bez. kausaler Gebiete vollständig
in den entsprechenden Lichtkegeln liegen, während sie im allgemeinen
im Zukunfts- bzw. Vergangenheitskegel enthalten sind. Diese Eigenschaft
hat zur Folge, daß die durch den Operator beschriebene Wellenausbreitung
``scharf'' ist, d.h. ein Beobachter registriert ein ausgesendetes Signal
nur innerhalb eines beschränkten Zeitintervalls wie etwa bei Schallwellen
- im Vergleich zu Wasserwellen, wo dies nicht gilt. Bereits seit den 20er
Jahren (beginnnend mit Hadamard) wird die Frage untersucht, unter welchen
Bedingungen an die Lorentzgeometrie bestimmte Klassen von normal-hyperbolischen
Operatoren vom Huygensschen Typ sind. Einen Überblick über die
seit dieser Zeit dazu entwickelten Methoden und die vorliegenden Ergebnisse
gibt die Arbeit [6]. Für den Dirac-Operator 4-dimensionaler Raumzeiten
wurde diese Frage bereits in den 70er Jahren von V. Wünsch bearbeitet
und gelöst (eine moderne Darstellung dieser Ergebnisse findet man
in der Diplomarbeit von Thomas Leistner). In der Arbeit [B1] wird bewiesen,
daß der Dirac-Operator über ebenen Gravitationswellen (pp-waves)
und Lorentz-Räumen konstanter Krümmung beliebiger (gerader) Dimension
vom Huygensschen Typ ist.
2. Spektraleigenschaften des Dirac-Operators über pseudo-Riemannschen
Räumen
Im Gegensatz zum Dirac-Operator Riemannscher Mannigfaltigkeiten sind
bisher nur wenige konkrete Aussagen über das Spektralverhalten des
Dirac-Operators pseudo-Riemannscher Mannigfaltigkeiten bekannt. Im Gegensatz
zum Riemannschen Fall ist der Dirac-Operator einer pseudo-Riemannschen
Spin-Mannigfaltigkeit weder wesentlich selbstadjungiert (in einem Hilbertraum),
noch elliptisch und schon im kompakten Fall i.a. nicht mehr Fredholmsch.
Man kann diesen Operator jedoch als unbeschränkten und unter zusätzlichen
geometrischen Bedingungen wesentlich selbstadjungierten Operator in einem
Kreinraum von unendlichem Index auffassen. Daraus folgen Symmetrieeigenschaften
für die Spektralteile und die Nichtexistenz von Restspektrum aufgrund
von zusätzlichen Symmetrien im Spinorbündel im Falle gerade-dimensionaler
und für einen Teil ungeraddimensionaler Basis-Mannigfaltigkeiten.
Für einzelne kompakte indefinite Räume sind die Eigenwert-Spektren
des Dirac-Operators bisher vollständig berechnet worden (z.B. für
flache Tori, Berger-Sphären, den kompaktifizierten Minkowski-Raum).
Eine Ausarbeitung dieser Ergebnisse findet man in der Diplomarbeit von
Carsten Lange. In der Arbeit [13] von Tobias Kunstmann wird das Spektrum
des Dirac-Operators pseudo-Riemannscher Räume konstanter positiver
Schnittkrümmung untersucht. Diese Räume sind nichtkompakte halbeinfache
symmetrische Räume vom Rang 1, der Raum der quadratisch-integrierbaren
Spinoren ist eine Darstellung der maximal-kompakten Untergruppe
der Isometriegruppe. Durch die Definition und das Studium einer geeigneten
Poissontransformation und die explizite Konstruktion der Resolvente des
Dirac-Operators auf den isotypen Komponenten dieser -Darstellung
gelingt es, das volle Eigenwert-Spektrum und das stetige Spektrum auf den
isotypen Komponenten zu berechnen. Ein Restspektrum tritt nicht auf.
3. Die Twistorgleichung auf Lorentz-Mannigfaltigkeiten und ihre Beziehung
zu CR- und Kähler-Geometrie
Die Twistorgleichung ist eine spezielle konform-invariante Spinorfeld-Gleichung,
die in den 70er Jahren von R.Penrose und seinen Mitarbeitern für 4-dimensionale
Raumzeiten formuliert und im konform-flachen Fall untersucht wurde. Parallele
und Killingspinoren sind spezielle Lösungen der Twistorgleichung,
nämlich diejenigen, die gleichzeitig die Eigenwert-Gleichung für
den Dirac-Operator erfüllen. In den letzten Jahren gab es umfangreiche
Untersuchungen und Ergebnisse über Lösungen der Twistorgleichung
im Kontext der Riemannschen konformen Geometrie (Lichnerowicz, Friedrich,
Habermann, Rademacher, Kühnel), während es bislang wenige differentialgeometrische
Untersuchungen dieser Gleichung in ihrem ursprünglichen Kontext, der
Lorentz-Geometrie, gibt. 1991 wies J. Lewandowski im Rahmen der ART auf
eine Beziehung zwischen lokalen Lösungen der Twistorgleichung und
speziellen 4-dimensionalen Raumzeiten vom Petrov-Typ
hin, den Fefferman-Räumen. Fefferman-Räume sind konforme Lorentz-Mannigfaltigkeiten,
die als Totalräume von Sphärenbündeln mit lichtartiger Faser
über CR-Mannigfaltigkeiten mit positiv-definiter Leviform auftreten.
Sie wurden 1976 von Feffermn für den Fall strikt pseudokonvexer Hyperflächen
im komplexen Raum definiert. Diese Definition wurde von Burns, Diederich,
Shnider, Farris und Lee auf den Fall abstrakter (nicht eingebetteter) CR-Mannigfaltigkeiten
ausgedehnt. Sparling, Graham, Lee, Koch ua. studierten geometrische Eigenschaften
von Fefferman-Räumen. Inhalt unserer Arbeiten [2] und [3] ist die
Beschreibung der Beziehung zwischen Fefferman-Räumen und Lösungen
der Twistorgleichung im allgemeinen differentialgeometrischen Kontext.
Durch die Entwicklung eines geeigneten Spinorkalküls für Bündel
mit lichtartiger Faser und die Modifizierung des topologischen Typs des
in der Konstruktion auftretenden Sphärenbündels gelingt es, die
Existenz globaler Lösungen der Twistorgleichung auf den (modifizierten)
Fefferman-Räumen zu beweisen, diese explizit zu konstruieren und ihre
Eigenschaften zu beschreiben. Die Fefferman-Geometrie ist durch spezielle
Eigenschaften der Lösungen der Twistorgleichung lokal eindeutig charakterisiert.
In der Arbeit [4] werden alle Lösungen der Twistorgleichung auf
den symmetrischen Lorentz-Mannigfaltigkeiten explizit beschrieben.
Christoph Bohle hat in seiner Diplomarbeit Klassifikationsresultate
für 4-dimensionale Raumzeiten mit Twistorspinoren bewiesen. Eine twistortheoretische
Interpretation der Lorentzschen Twistorspinoren über 4-dimensionalen
(reellen) Raumzeiten als holomorphe Schnitte (bez. einer optischen Struktur)
im kanonischen Linienbündel über dem Twistorraum wird von Felipe
Leitner in [14] angegeben. Bisher liegt allerdings noch keine Theorie holomorpher
Schnitte in optischen Bündeln vor, die Kriterien für die Existenz
solcher Schnitte liefern würde.
In der Arbeit [8] beschreibt Christoph Bohle die geometrische Struktur
aller Lorentz-Mannigfaltigkeiten mit reellen Killingspinoren. In Abhängigkeit
vom Vorzeichen eines 1. Integrals splittet sich die Lorentz-Mannigfaltigkeit
(mit Ausnahme gewisser ausgearteter Hyperflächen) in warped products
über Riemannschen Mannigfaltigkeiten, deren spezielle geometrische
Strukturen man beschreiben kann, da sie ihrerseits Lösungen spezieller
Spinorfeld-Gleichungen besitzen.
Desweiteren wird in [8] eine spezielle Klasse von Lorentz-Mannigfaltigkeiten
mit imaginären Killingspinoren untersucht, die Lorentzschen Einstein-Sasaki-Mannigfaltigkeiten.
Das sind diejenigen Lorentz-Mannigfaltigkeiten, deren Kegel mit zeitartiger
Kegelachse die Holonomie SU(1,m) hat. Lorentzsche Einstein-Sasaki-Strukturen
treten auf Sphärenbündeln über Kähler-Einstein-Räumen
mit negativer Skalarkrümmung auf. Auch diese Strukturen lassen sich
durch spezielle Lösungen der Twistorgleichung eindeutig charakterisieren.
Weitere Untersuchungen werden sich vor allem auf spezielle Spinorfelder
mit assoziierten infinitesimalen Isometrien konzentrieren.
4. Nullstellen von konformen Vektorfeldern und Twistorspinoren
Konforme Abbildungen und konforme Vektorfelder sind ein klassisches
Untersuchungsgebiet der Riemannschen und pseudo-Riemannschen Geometrie
in der Dimension .
Im Zusammenhang mit der Untersuchung von Twistorspinoren mit Nullstellen
tritt insbesondere die Frage nach der Existenz von wesentlich konformen
Vektorfeldern und nach deren geometrischen Konsequenzen auf. Die Nullstellenmenge
eines wesentlich konformen Vektorfeldes einer Riemannschen Mannigfaltigkeit
besteht aus isolierten Punkten, in deren Umgebung die konforme Struktur
des Raumes flach ist. Im Gegensatz dazu ist die Nullstellenmenge eines
wesentlich konformen Vektorfeldes einer pseudo-Riemannschen Mannigfaltigkeit
i.a. keine Untermannigfaltigkeit. In der Arbeit [16] untersucht Felipe
Leitner die lokale Struktur der Nullstellenmenge von wesentlich konformen
Vektorfeldern von Lorentz-Mannigfaltigkeiten, die in jedem Punkt ihrer
Nullstellenmenge kovariant konstant sind. Davon ausgehend kann er die Struktur
der Nullstellenmenge von Twistorspinoren auf Lorentz-Mannigfaltigkeiten
vollständig beschreiben. In weiteren Untersuchungen sollen Beispielklassen
für verschiedene Sorten von Nullstellenverhalten gefunden und diskutiert
werden.
5. Parallele Spinoren und Holonomiedarstellungen
In vielen Fällen kann das Studium von Lösungsräumen
für Spinorfeld-Gleichungen durch geschickte geometrische Konstruktionen
auf die Frage der Existenz von parallelen Spinoren zurückgeführt
werden. Die Frage, welche Geometrien bestimmte parallele geometrische Objekte,
z.B. parallele Spinoren, zulassen, führt auf die Frage nach den möglichen
Holonomiegruppen semi-Riemannscher Mannigfaltigkeiten bzw. spezieller Zusammenhänge
und auf die Frage nach den trivialen Teildarstellungen der Wirkung dieser
Gruppen über den dem Problem angepaßten Darstellungsräumen.
Die Gruppen, die als Holonomiegruppen irreduzibler 1-zusammenhängender
semi-Riemannscher bzw. affiner torsionsfreier Mannigfaltigkeiten auftreten
können, wurden in den letzten 40 Jahren vollständig klassifiziert.
Ausgehend davon hat McK. Wang 1989 die möglichen Holonomiegruppen
einfach-zusammenhängender irreduzibler Riemannscher Mannigfaltigkeiten
angegeben, die parallele Spinoren besitzen :
(= Ricci-flache Kähler-Mannigfaltigkeiten),
(= Hyperkähler-Mannigfaltigkeiten) ,
und .
In der Arbeit [7] beschreiben wir die möglichen Holonomiedarstellungen
1-zusammenhängender, nicht-lokalsymmetrischer, irreduzibler pseudo-Riemannscher
Mannigfaltigkeiten, die parallele Spinoren zulassen, und bestimmen deren
kausalen und chiralen Typ.
Bei der Untersuchung von Spinorfeld-Gleichungen im Kontext indefiniter
Geometrien benötigt man im Gegensatz zum Riemannschen Fall zusätzlich
die Kenntnis unzerlegbarer, aber reduzibler Holonomiedarstellungen. Dazu
gibt es bislang in der Differentialgeometrie fast keine Ergebnisse. Thomas
Leistner untersucht solche Fragestellungen z.Z. im Rahmen seiner Promotion
für den Fall von Lorentz-Mannigfaltigkeiten.
In der Arbeit [17] zeigt Felipe Leitner, daß die Twistorgleichung
als Parallelitätsgleichung bezüglich des normalen konformen Cartan-Zusammenhanges
interpretiert werden kann. Dadurch kann man die Existenz von Lösungen
der Twistorgleichung auf lokal konform-flachen semi-Riemannschen Mannigfaltigkeiten
durch Eigenschaften der Holonomiedarstellung der Fundamentalgruppe des
Basisraumes charakterisieren. Die Hoffnung ist, daß es gelingt, über
geeignete geometrische Konstruktionen Holonomiemethoden auch im Fall der
allgemeinen Twistorgleichung anwendbar zu machen.
In der Arbeit [11] untersucht Ines Kath eine spezielle Klasse paralleler
Spinoren, die der reinen parallelen Spinoren. Unter Ausnutzung der Äquivalenz
zwischen parallelen projektiven reinen Spinoren und parallelen orthogonalen
optischen Strukturen werden die Krümmungsbedingungen für die
Existenz eines parallelen reinen Spinors hergeleitet. Für die Signaturen
und
wird davon ausgehend die lokale Normalform der Metriken bestimmt, die parallele
reine Spinoren zulassen.
Die Arbeit [4] zeigt u.a., daß es homogene, nichtflache Lorentz-Räume
mit parallelen Spinoren gibt - ein Effekt, der im Riemannschen Fall nicht
auftritt. Im weiteren sollen homogene Lorentz-Mannigfaltigkeiten mit speziellen
Krümmungseigenschaften genauer studiert werden, insbesondere solche,
die Ricci-flach sind, total isotropen Ricci-Tensor haben bzw. parallele
Spinoren besitzen.
6. Killingspinoren und -Strukturen
auf pseudo-Riemannschen Mannigfaltigkeiten
Riemannsche Mannigfaltigkeiten mit Killingspinoren sind seit 1980 eingehend
untersucht worden. Die speziellen Geometrien, die solche Spinorfelder zulassen,
sind inzwischen bekannt und in kleinen Dimensionen weitgehend klassifiziert.
Die grundlegende Idee für die Klärung der geometrischen Verhältnisse
im Riemannschen Fall (Ch. Bär, 1993) ist auch im pseudo-Riemannschen
Kontext anwendbar: Eine pseudo-Riemannsche Mannigfaltigkeit
hat genau dann reelle Killingspinoren, wenn der Kegel über
parallele Spinoren und damit spezielle Holonomiedarstellungen besitzt.
Jede dieser Holonomiedarstellungen definiert eine bestimmte Geometrie auf
dem Kegel und eine daraus zu ermittelnde Geometrie auf .
In der Arbeit [12] von Ines Kath wird diese Idee benutzt, um diejenigen
pseudo-Riemannschen Geometrien zu bestimmen, deren Kegel die in der Arbeit
[7] gefundenen irreduziblen Holonomiedarstellungen bzw. davon abgeleitete
reelle Formen haben. Für diese Geometrien werden systematisch Beispielklassen
konstruiert. Im einzelnen sind dies: Zeitartige Einstein-Sasaki-Strukturen
in Signatur ,
raumartige Einstein-Sasaki-Strukturen in Signatur , -Sasaki-Strukturen
in Signatur ,
3-Sasaki-Strukturen in Signatur ,
nearly-Kähler-Strukturen in Signatur ,
fast-parallele Bilagrange-Strukturen in Signatur
und fast-parallele -Strukturen
in Signatur ,
(siehe auch [9]).
In den Arbeiten [10] und [12] wird von Ines Kath eine Dualitätstheorie
zwischen homogenen Riemannschen und homogenen pseudo-Riemannschen Räumen
(T-Dualität) ausgearbeitet und zur Konstruktion von indefiniten homogenen
Mannigfaltigkeiten mit reellen Killingspinoren benutzt. Einem Riemannschen
homogenen Raum
wird mittels spezieller Involutionen auf der Liealgebra der Isometriegruppe
eine Serie pseudo-Riemannscher homogener Räume
zugeordnet, die aus den durch die Involutionen entstehenden nichtkompakten
reellen Formen der komplexifizierten Liealgebra der Isometriegruppe gebildet
werden. Dann gibt es einen engen Zusammenhang zwischen Krümmungseigenschaften
des Riemannschen homogenen Raumes und seiner pseudo-Riemannschen T-Duale, -invariante
Objekte auf
entsprechen -invarianten
Objekten auf .
Da Killingspinoren auf Riemannschen homogenen Räumen in den meisten
Fällen -invariant
sind, lässt sich dies insbesondere zur Konstruktion von pseudo-Riemannschen
Räumen mit Killingspinoren verwenden. Anwendungsbeispiele sind ua.
Twistor- und Reflektorräume 4-dimensionaler semi-Riemannscher Sphären
und projektiver Räume.
7. Der Twistorraum einer reellen 4-dimensionalen Lorentz-Mannigfaltigkeit
und Flächentheorie
Twistormethoden werden in der Differentialgeometrie seit längerem
zum Studium geometrischer Klassifikationsprobleme benutzt. Dabei wird z.B.
einer 4-dimensionalen Riemannschen Mannigfaltigkeit ein 6-dimensionaler
Twistorraum zugeordnet, der eine unter gewissen geometrischen Bedingungen
integrierbare fastkomplexe Struktur trägt. Geometrische Fragen der
4-dimensionalen Riemannschen Geometrie können dann in Probleme der
3-dimensionalen komplexen Geometrie übersetzt werden, für deren
Lösung man zusätzlich die Methoden der komplexen Analysis und
algebraischen Geometrie zur Verfügung hat.
In Analogie zur Twistorkonstruktion von Atiyah, Hitchin und Singer
für 4-dimensionale Riemannsche Mannigfaltigkeiten haben Jensen und
Rigoli Twistor- und Reflektorräume für 4-dimensionale neutrale
Mannigfaltigkeiten betrachtet. Machida, Sato und Nurowski haben diese Untersuchungen
auf den Fall 4-dimensionaler reeller Lorentz-Mannigfaltigkeiten ausgedehnt.
Insbesondere tritt an die Stelle der komplexen Geometrie des Riemannschen
Twistorraumes im Lorentzschen die optische Geometrie. In den Arbeiten [14]
und [15] werden diese optischen Geometrien und die mit ihnen verbundenen
CR-Geometrien von Felipe Leitner eingehender und insbesondere am Beispiel
der drei Typen von Lorentzschen Raumformen untersucht.
Eine bekannte Anwendung der Riemannschen Twistortheorie ist die Beschreibung
und Konstruktion minimaler Flächen in Riemannschen 4-Mannigfaltigkeiten
mittels holomorpher Kurven im Twistorraum. Diese Idee wird von Jensen und
Rigoli zur Untersuchung von Lorentz-Flächen in neutralen 4-Mannigfaltigkeiten
und von Felipe Leitner in [15] zur Untersuchung raumartiger Flächen
in Lorentz-4-Mannigfaltigkeiten aufgegriffen. Es existiert eine Korresprondenz
zwischen isotrop-umbilischen Flächen und Flächen mit isotroper
mittlerer Krümmung in einer Lorentz-4-Mannigfaltigkeit auf der einen
Seite und und holomorphen Kurven (bez. der optischen Struktur) im Twistorraum
auf der anderen Seite. Damit werden alle isotrop-umbilischen Flächen
und alle Flächen mit isotroper mittlerer Krümmung in den Lorentzschen
Raumformen klassifiziert.
Drittmittel: Das Projekt wird von der DFG im Rahmen des SFB 288
,,Differentialgeometrie und Quantenphysik`` (Teilprojekt B1) und des Graduiertenkollegs
,,Geometrie und nichtlineare Analysis`` gefördert.
Publikationen und Preprints