In der Mathematik, genauer in der algebraischen Topologie und in der Differentialgeometrie und -topologie, sind Chern-Klassen ein spezieller Typ von charakteristischen Klassen, die komplexen Vektorbündeln zugeordnet werden.
Chernklassen sind nach Shiing-Shen Chern benannt, der sie in den 1940er-Jahren erstmals allgemein definierte.
Chern-Klassen sind charakteristische Klassen. Sie sind damit topologische Invarianten von komplexen Vektorbündeln über glatten Mannigfaltigkeiten und zwei isomorphe Vektorbündel haben somit dieselben Chernklassen. Die Chern-Klassen liefern also eine Möglichkeit zu verifizieren, dass zwei Vektorbündel über einer glatten Mannigfaltigkeiten verschieden sind, jedoch kann mit ihrer Hilfe nicht entschieden werden, dass zwei Vektorbündel isomorph sind (da nicht-isomorphe Vektorbündel dieselbe Chern-Klasse haben können).
In der Topologie, der Differentialgeometrie und der algebraischen Geometrie ist es oft wichtig, die maximale Anzahl linear unabhängiger Schnitte eines Vektorbündels zu bestimmen. Chern-Klassen ermöglichen, darüber Information zu erhalten, zum Beispiel mit dem Riemann-Roch-Theorem oder dem Atiyah-Singer-Indexsatz. Das ist einer der Gründe, warum Chern-Klassen ein wichtiges Hilfsmittel der modernen Mathematik sind.
Chern-Klassen sind darüber hinaus in vielen Fällen der Praxis auch explizit berechenbar. In der Differentialgeometrie (und in Teilen der algebraischen Geometrie) können Chern-Klassen als Polynome in den Koeffizienten der Krümmungsform ausgedrückt werden.
Daher werden Chern-Klassen benutzt, um verschiedenste Probleme der Mathematik anzugehen. Auch in der Physik finden sie Anwendung.
Sei eine glatte Mannigfaltigkeit, ein hermitesches Vektorbündel mit Rang über und ein Zusammenhang auf . Die -te Chernform von ist dann durch die Koeffizienten des charakteristischen Polynoms der Krümmungsform von gegeben, das heißt
Die Determinante wird über dem Ring der -Matrizen mit Einträgen aus dem Polynomring über der kommutativen Algebra der geraden komplexen Differentialformen auf gebildet. Die Krümmungsform ist Lie-Algebra-wertig, und durch
definiert, wobei die Zusammenhangsform und die äußere Ableitung ist.
Die, ebenfalls mit bezeichnete, -te Chern-Klasse ist definiert als die de Rhamsche Kohomologieklassen der -ten Chern-Form. Die Chern-Klasse, also die Kohomologieklasse der Chern-Form, hängt nicht von der Wahl des Zusammenhangs in ab. Die Chern-Klasse ist also eine Invariante des Vektorbündels, während die Chernform vom gewählten Zusammenhang abhängt.
Man kann zeigen, dass die Chern-Klassen im Bild von liegen.
Sei CP1 die Riemannsche Zahlenkugel, der eindimensionale komplexe projektive Raum. Sei weiter eine holomorphe lokale Koordinate, das komplexe Tangentialbündel, die Vektoren haben an jedem Punkt die Form , dabei bezeichnet eine komplexe Zahl. Wir zeigen, dass keinen nirgends verschwindenden Schnitt hat.
Dafür benötigen wir folgende Tatsache: Die erste Chern-Klasse eines trivialen Bündels ist Null, d. h.
Davon kann man sich dadurch überzeugen, dass ein triviales Bündel stets eine flache Metrik hat.
Nun zeigen wir
Betrachte dazu eine Mannigfaltigkeit mit der Kähler-Metrik
Die Krümmungsform zu ist dann durch
gegeben. Nach Definition der ersten Chern-Klasse ist
Wir müssen zeigen, dass die Kohomologieklasse von von Null verschieden ist. Dazu berechnen wir das Integral
durch Koordinatentransformation. Nach dem Satz von Stokes hätte das Integral einer exakten Form dagegen den Wert 0, also ist nicht trivial.
Dieses Beispiel zeigt zugleich, durch den Bezug auf den Satz von Stokes, dass differentialtopologische Anwendungen der Chernschen Klassifizierung (z. B. in der Physik, siehe unten) vor allem „Umlauf-Probleme“ betreffen werden.
Sei ein komplexes Vektorbündel über dem topologischen Raum . Die Chern-Klassen von sind eine Folge von Elementen der Kohomologie von . Die -te Chern-Klasse von , die üblicherweise bezeichnet wird, ist ein Element von , der Kohomologie von X (mit ganzzahligen Koeffizienten). Man definiert auch die totale Chern-Klasse
als Element von .
Die Chern-Klassen genügen den folgenden vier Axiomen:
Alexander Grothendieck hat diese Axiome durch etwas schwächere ersetzt:
In der Tat charakterisieren diese Eigenschaften die Chern-Klassen eindeutig. Einige wichtige Folgerungen sind
Da die Chern-Klassen hier Kohomologieklassen mit ganzen Koeffizienten sind, sind sie etwas feiner als die oben im Riemannschen Beispiel betrachteten, die reelle Koeffizienten hatten.
Es gibt mannigfache Wege, sich dem Ziel zu nähern, jeder einzelne fokussiert einen etwas anderen Aspekt der Chern-Klassen.
Die ursprüngliche Herangehensweise war algebraische Topologie. Die unendliche Graßmann-Mannigfaltigkeit ist der klassifizierenden Raum für -dimensionale komplexe Vektorbündel. Das bedeutet, dass jedes -dimensionale komplexe Vektorbündel über der Basis als Pullback des tautologischen Bündels unter einer stetigen Abbildung erhalten werden kann. Die Chern-Klassen des tautologischen Bündels werden als universelle Chern-Klassen bezeichnet und die Chern-Klassen eines durch die Abbildung klassifizierten Vektorbündels erhält man durch Zurückziehen der universellen Chern-Klassen mittels der in Kohomologie induzierten Abbildung . Die Chern-Klassen des tautologischen Bündels können explizit durch Schubertzykel ausgedrückt werden.
Cherns Zugang verwandte Differentialgeometrie und den oben beschriebenen Zugang über die Krümmungsform. Er zeigte, dass beide Zugänge äquivalent sind.
Der axiomatische Zugang von Alexander Grothendieck zeigt, dass man die Chern-Klassen nur für Geradenbündel festlegen muss.
Chern-Klassen treten auch in der algebraischen Geometrie auf natürliche Weise auf. Die verallgemeinerten Chern-Klassen der algebraischen Geometrie können für lokal freie Garben über jeder nichtsingulären Varietät definiert werden. Die Chern-Klassen der algebraischen Geometrie verlangen vom zugrundeliegenden Körper nur die algebraische Abgeschlossenheit, insbesondere müssen Vektorbündel nicht unbedingt komplex sein.
Vom gewählten Zugang unabhängig ist die intuitive Bedeutung einer Chern-Klasse die von 'benötigten Nullstellen' eines Vektorbündelschnittes: Zum Beispiel die Aussage, dass man einen Igel nicht kämmen kann. Auch wenn dies eigentlich eine Frage betreffend reelle Vektorbündel ist (die „Stacheln“ des Igels sind reelle Geraden), gibt es Verallgemeinerungen, in denen die Stachel komplex sind, oder für den eindimensionalen projektiven Raum über anderen Körpern.
Ein wichtiger Spezialfall ist der eines Geradenbündels . Die einzige nichttriviale Chern-Klasse ist in diesem Fall die erste, die ein Element der zweiten Kohomologiegruppe von ist. Da sie die höchste Chernklasse ist, ist sie gleich der Eulerklasse des Bündels.
Die erste Chern-Klasse erweist sich als eine vollständige Invariante, die die komplexen Geradenbündel klassifiziert. Das heißt, dass eine Bijektion zwischen den Isomorphieklassen komplexer Geradenbündel über und den Elementen von gibt, man ordnet hierbei jedem Bündel seine erste Chern-Klasse zu. Die Addition in entspricht unter dieser Bijektion dem Tensorprodukt.
In der algebraischen Geometrie ist diese Klassifikation der komplexen Geradenbündel durch die erste Chern-Klasse eine erste Annäherung an die Klassifikation holomorpher Geradenbündel durch lineare Äquivalenzklassen von Divisoren.
Die Chern-Klasse sind für komplexe Bündel einer größeren Dimension keine vollständige Invariante mehr.
Die Theorie der Chern-Klasse liefert Kobordismus-Invarianten fast-komplexer Mannigfaltigkeiten.
Ist eine fast-komplexe Mannigfaltigkeit, so ist sein Tangentialbündel ein komplexes Vektorbündel. Dessen Chern-Klassen werden auch als die Chern-Klassen von bezeichnet. Ist kompakt und geradedimensional, etwa -dimensional, dann kann jedes Monom vom Totalgrad in den Chern-Klassen von mit der Fundamentalklasse von gepaart werden und liefert eine ganze Zahl, eine Chern-Zahl von . Ist eine weitere fast komplexe Mannigfaltigkeit derselben Dimension, dann sind und genau dann kobordant, wenn sie dieselben Chern-Zahlen haben.
Es gibt eine Verallgemeinerung der Theorie der Chern-Klassen, in der die gewöhnliche Kohomologietheorie durch eine verallgemeinerte ersetzt wird, die die Zusatzeigenschaft der komplexen Orientierbarkeit haben muss. Die formalen Eigenschaften der Chern-Klassen bleiben die dieselben, nur ist in der Regel, die die erste Chern-Klassen eines Tensorproduktes von Geradenbündeln berechnet, die Addition durch die entsprechende Operation zu ersetzen.
Auf orientierten Mannigfaltigkeiten der Dimension kann jedes Produkt von Chern-Klassen vom Totalgrad mit der Fundamentalklasse gepaart werden und liefert so eine ganze Zahl, eine Chern-Zahl des Vektorbündels. Hat die Mannigfaltigkeit beispielsweise Dimension sechs, so ergeben sich die verschiedenen Chern-Zahlen aus , und . Im Allgemeinen ist die Anzahl der verschiedenen Chern-Zahlen die Anzahl der Partitionen von .
Wie oben erwähnt, sind die Chern-Zahlen des Tangentialbündels eine (fast) komplexen Mannigfaltigkeit eine wichtige Invariante.
Chern-Klassen können verwandt werden, um einen Ringhomomorphismus von der topologischen K-Theorie eines Raumes in die Vervollständigung seiner rationalen Kohomologie zu konstruieren. Dieser Chern-Charakter ist für Geradenbündel durch
gegeben.
Für Summen von Geradenbündeln wird der Chern-Charakter durch Additivität definiert, hieraus ergibt sich eine Darstellung der Cherncharakters durch die Chern-Klassen. Diese wird verwandt, um den Chern-Charakter für alle Vektorbündel zu definieren, die ersten Terme sind
Ist die Summe der Geradenbündel mit ersten Chern-Klassen , so ist
Im differentialgeometrischen Zugang über die Krümmung ist der Chern-Charakter explizit durch
gegeben, dabei bezeichnet die Krümmung.
Der Chern-Charakter hilft beispielsweise bei der Berechnung der Chern-Klassen eines Tensorproduktes. Genauer besitzt er die beiden folgenden Eigenschaften
Die erste dieser Formeln kann, wie oben erwähnt, mit Hilfe des Grothendieckschen Additivitätsaxioms für Chernklassen zu der Aussage verallgemeinert werden, dass ein Homomorphismus abelscher Gruppen von der K-Theorie in die rationale Kohomologie von ist. Die zweite Gleichung besagt, dass dieser Homomorphismus multiplikativ ist, also sogar ein Homomorphismus von Ringen ist.
Für ein reelles Vektorbündel über einem topologischen Raum definiert man die Pontrjagin-Klassen durch
Hierbei ist die Komplexifizierung des reellen Vektorbündels . (Man kann zeigen, dass stets ist, weshalb man nur die geraden Chern-Klassen betrachtet.)
Nowikow bewies, dass die rationalen Pontrjaginklassen des Tangentialraums differenzierbarer Mannigfaltigkeiten invariant unter Homöomorphismen sind. Sie sind aber nicht invariant unter Homotopieäquivalenzen. Die Novikov-Vermutung besagt, dass (in Abhängigkeit von der Fundamentalgruppe) gewisse Kombinationen rationaler Pontrjagin-Klassen invariant unter Homotopie-Äquivalenzen sind.
Der Signatursatz von Hirzebruch besagt, dass sich die Signatur geschlossener differenzierbarer Mannigfaltigkeiten als eine Kombination von Pontrjagin-Klassen (das L-Polynom) berechnen lässt. Aus dem Atiyah-Singer-Indexsatz folgt, dass sich auch der Index des Dirac-Operators einer Spin-Mannigfaltigkeit als eine Kombination von Pontrjagin-Klassen (das Â-Polynom) berechnen lässt.
Es sei eine glatte projektive Varietät über einem algebraisch abgeschlossenen Körper und ihr Chow-Ring. Grothendieck bewies, dass es eine eindeutige Theorie von Chern-Klassen gibt, welche jeder lokal freien kohärenten Garbe Chern-Klassen zuordnet, so dass die folgenden Axiome erfüllt sind:
Die Konstruktion der algebraischen Chern-Klassen verläuft analog zur Konstruktion der topologischen Chern-Klassen über den Satz von Leray-Hirsch. Insbesondere liefern für algebraische Vektorbündel über glatten komplexen projektiven Varietäten beide Konstruktionen dieselben Chern-Klassen.
Auch in der Physik finden seit etwa 2015 die Chern-Klassen verstärkt Anwendung und werden auch explizit so genannt (was vorher nicht der Fall war), seitdem jetzt nicht nur in der Hochenergiephysik, sondern verstärkt auch in der Festkörperphysik neue differentialtopologische Aspekte behandelt werden: Neben älteren „Umlauf“-Aussagen der Physik, etwa dem Aharonov-Bohm-Effekt der Quantenmechanik oder dem altbekannten Meissner-Ochsenfeld-Effekt der Supraleitung dienen Chern-Klassen in der Physik jetzt vor allem zur differentialtopologischen Klassifizierung von Umlauf-Singularitäten, vor allem beim sog. Quanten-Hall-Effekt bzw. bei den sog. Topologischen Supraleitern bzw. Topologischen Isolatoren. Dabei ergibt sich der Zusammenhang mit der Mathematik aus der Tatsache, dass die Magnetische Flussdichte über ihr Vektorpotential als „effektive Krümmung“ fungiert obwohl in einem flachen Raum gearbeitet wird.
Allgemeiner besteht eine Beziehung zu den Yang-Mills-Theorien, wobei der mathematische Begriff „Krümmung“ in der Physik als „Feldstärke“ fungiert. Der physikalische „Hilbertraumzustand“ entspricht einer projektiv-komplexen Mannigfaltigkeit, weil der Zustand derselbe bleiben soll, wenn mit einer komplexen Zahl multipliziert wird.