Impulsabbildung

Die Impulsabbildung i​st ein Konzept d​er mathematischen Physik, m​it dem d​as Noether-Theorem über d​en Zusammenhang v​on Symmetrien u​nd Erhaltungsgrößen theoretisch erklärt werden kann.

Konstruktion der Impulsabbildung

Sei ${\displaystyle (M,\omega )}$ eine symplektische Mannigfaltigkeit. Eine Lie-Gruppe ${\displaystyle G}$ wirke durch Symplektomorphismen auf ${\displaystyle M}$. Die zur Lie-Gruppe zugehörige Lie-Algebra, aus der die Gruppe durch Exponentierung hervorgeht, sei ${\displaystyle {\mathfrak {g}}}$. Für ${\displaystyle X\in {\mathfrak {g}}}$ sei ${\displaystyle \xi _{X}}$ das entsprechende Vektorfeld auf ${\displaystyle M}$ und ${\displaystyle \iota }$ bezeichne das innere Produkt auf ${\displaystyle M}$.

Weil ${\displaystyle G}$ durch Symplektomorphismen wirkt, ist die Lie-Ableitung ${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\xi _{X}}\omega =0}$, mit der Cartan-Formel folgt ${\displaystyle \mathrm {d} \iota _{\xi _{X}}\omega =0}$, das Vektorfeld ist also symplektisch. Wenn die geschlossene Differentialform ${\displaystyle \mathrm {\iota } _{\xi _{X}}\omega }$ exakt ist, ist das Vektorfeld zusätzlich hamiltonsch. Dies ist zum Beispiel immer dann der Fall, wenn die erste De-Rham-Kohomologie ${\displaystyle H^{1}(M;\mathbb {R} )=0}$ ist.

In diesem Fall gibt es eine Funktion ${\displaystyle \mu ^{X}\colon M\to \mathbb {R} }$ mit ${\displaystyle \mathrm {d} \mu ^{X}=\iota _{\xi _{X}}}$, und man erhält insgesamt eine Abbildung ${\displaystyle \mu \colon M\to {\mathfrak {g}}^{*}}$ mit ${\displaystyle \mu (x)(X)=\mu ^{X}(x)}$. Diese Abbildung ${\displaystyle \mu }$ wird als Impulsabbildung bezeichnet.

Eigenschaften

• Für den symplektischen Gradienten ${\displaystyle \operatorname {sgrad} }$ und jedes ${\displaystyle X\in {\mathfrak {g}}^{*}}$ gilt ${\displaystyle \operatorname {sgrad} (\mu ^{X})(x)=\left.{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}(\exp(tX)\cdot x)\right|_{t=0}}$ für alle ${\displaystyle x\in M}$.
• Für alle ${\displaystyle g\in G,x\in X}$ gilt ${\displaystyle \mu (g\cdot x)=\operatorname {Ad} (g^{-1})^{*}\circ \mu (x)}$.

Noether-Theorem

Wenn eine Lie-Gruppe ${\displaystyle G}$ durch Symplektomorphismen auf einer symplektischen Mannigfaltigkeit ${\displaystyle (M,\omega )}$ wirkt und ${\displaystyle H}$ eine ${\displaystyle G}$-invariante Hamilton-Funktion ist, dann ist ${\displaystyle \mu }$ konstant entlang der Integralkurven von ${\displaystyle \operatorname {sgrad} (H)}$ (also der Lösungskurven des Hamilton-Systems). Tatsächlich gilt für die Poisson-Klammer mit der Hamilton-Funktion

${\displaystyle \left\{\mu ^{X},H\right\}=\omega (X_{H},X)=\iota _{X}\mathrm {d} H=0}$

für ${\displaystyle X\in {\mathfrak {g}}^{*}}$, woraus wegen der Gleichung ${\displaystyle \left.{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\mu ^{X}(\Phi _{H}(t,x))\right|_{t=0}=\left\{\mu ^{X},H\right\}}$ für den hamiltonschen Fluss ${\displaystyle \Phi _{H}}$ die Invarianz von ${\displaystyle \mu ^{X}}$ folgt.

Literatur

• Victor Guillemin, T. L. Ohsawa, Yael Karshon, Viktor L. Ginzburg: Moment Maps, Cobordisms, and Hamiltonian Group Actions. American Mathematical Soc., 2002, ISBN 978-0-8218-0502-2.
• Heckman: Lecture notes on the geometry of the momentum map