Calabi-Yau-Raum

Ein Schnitt durch eine Calabi-Yau, die Quintik

Mit Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit, kurz Calabi-Yau, bezeichnet man in der Mathematik spezielle komplexe Mannigfaltigkeiten, die eine Rolle in der algebraischen Geometrie spielen. Die theoretische Physik, vor allem die Stringtheorie, hat ebenfalls ein besonderes Interesse an diesen Objekten, da sechs-dimensionale Calabi-Yaus zur Kompaktifizierung der Theorie verwendet werden.

Definition

Eine Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit ist eine Kähler-Mannigfaltigkeit mit verschwindender erster Chern-Klasse. Letztere Bedingung ist für kompakte Mannigfaltigkeiten nach einer Vermutung von Eugenio Calabi aus dem Jahr 1954 ^[1], welche 1977 von Shing-Tung Yau bewiesen wurde ^[2], äquivalent zu der Existenz einer Ricci-flachen Metrik. Äquivalent kann man eine komplex n-dimensionale Calabi-Yau als eine Mannigfaltigkeit mit SU(n) Holonomie definieren. Dies ist wiederum äquivalent zur Existenz einer global definierten, nirgends verschwindenden holomorphen (n,0)-Form.

Beispiele

• n=1: Die riemannschen Flächen, die Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten sind, sind die elliptischen Kurven. Da die Torus-Metrik flach ist, ist die Holonomiegruppe trivial.
• n=2: In zwei komplexen Dimensionen gibt es zwei verschiedene Klassen von Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten: K3-Flächen (mit ganz SU(2) als Holonomiegruppe) und kompakte komplexe Tori (mit trivialer Holonomiegruppe).
• n=3: In drei komplexen Dimensionen existiert keine vollständige Klassifikation von Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten. Ein bekanntes Beispiel ist die Quintik (d.h. die Nullstellenmenge eines Polynomes 5. Grades) im komplexen projektiven Raum $\mathbb{CP}^4$.

Anwendung in der Stringtheorie

Calabi-Yaus spielen eine wichtige Rolle in der supersymmetrischen Version der Stringtheorie, da diese in ihrer einfachsten Version in zehn Dimensionen formuliert wird. Um die bekannten vier Raumzeit-Dimensionen zu erhalten, nimmt man an, dass die sechs Extradimensionen kompakt und genügend klein sind und daher mit den heutigen Experimenten nicht nachweisbar sind. Die Theorie in den verbleibenden vier nicht kompakten Richtungen hängt dabei wesentlich von der gewählten Geometrie dieser internen sechs Dimensionen ab.

Die besondere Bedeutung der Calabi-Yau-Eigenschaft ist, dass eine Kompaktifizierung der zehndimensionalen Stringtheorie auf einer Calabi-Yau-Geometrie zu einer vierdimensionalen Theorie im flachen Minkowski-Raum und mit ungebrochener Supersymmetrie führen kann.

Verallgemeinerungen

Von Nigel Hitchin wurde eine Verallgemeinerung des Begriffs Calabi-Yau, eine sogenannte Generalized Calabi-Yau (Generalisierte Calabi-Yau) vorgeschlagen ^[3], welche im Zusammenhang der generalisierten komplexen Geometrie definiert wurde. Auch diese Erweiterung findet Anwendung in der Stringtheorie.

Literatur

• M. Gross, D. Huybrechts, D. Joyce: Calabi-Yau Manifolds and Related Geometries, Springer, 2003, ISBN 354-04-4059-3
• T. Hübsch: Calabi-Yau Manifolds: A Bestiary for Physicists, World Scientific, 1992, ISBN ISBN 981-02-0662-3

Weblinks

• Definition von Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten bei mathworld (englisch)
• Calabi-Yau Home Page an der Universität Bonn (englisch)

Quellen

1. ↑ E. Calabi: The space of Kähler metrics, Proc. Int. Congr. Math. Amsterdam, 1954
2. ↑ S.-T. Yau: Calabi's Conjecture And Some New Results In Algebraic Geometry, Proc. Nat. Acad. Sci. 74:1798-1799, 1977
3. ↑ N. Hitchin: Generalised Calabi-Yau Manifolds, Quart. J. Math. Oxford Ser. 54:281-308, 2003; math.DG/0209099