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Son $\mathbb{C}$ y $\overline{\mathbb{Q}}_p$ ¿isomorfo?

Hay un famoso pasaje en la tercera página del segundo trabajo de Deligne sobre las conjeturas de Weil en el que expresa su desagrado por el axioma de elección, tal como se manifiesta en el isomorfismo entre $\mathbb{C}$ y $\overline{\mathbb{Q}}_p$ . La prueba de dicho isomorfismo es la siguiente. Tanto $\mathbb{C}$ y $\overline{\mathbb{Q}}_p$ tienen bases de trascendencia, $S$ y $T$ . Entonces $\mathbb{C}\simeq \overline{\mathbb{Q}(S)}$ y $\overline{\mathbb{Q}}_p\simeq \overline{\mathbb{Q}(T)}$ . Pero $\mathbb{C}$ y $\overline{\mathbb{Q}}_p$ tienen la misma cardinalidad y, por lo tanto, también la tienen $S$ y $T$ . Por lo tanto, $\mathbb{Q}(S)\simeq \mathbb{Q}(T)$ y, a partir de ahí, $\mathbb{C}\simeq \overline{\mathbb{Q}}_p$ .

Para mí, esta prueba es bastante convincente. Recientemente, Torsten Ekedahl expresó su opinión contraria, y esto dio lugar a el siguiente intercambio:

¿Por qué preocuparse por el axioma de la elección?

Así que me preguntaba por otras opiniones expertas sobre este asunto. ¿Le parece increíble el isomorfismo y, en caso afirmativo, por qué?

29voto

Eduard Wirch Puntos 199

En primer lugar, permítanme observar que es coherente con $\mathsf{ZF}$ + $\mathsf{DC}$ que no existe tal isomorfismo. (Esto se deduce de esta respuesta mía). Sin embargo, como comenté en el post de Torsten, la existencia de tal isomorfismo es una cuestión relativamente inofensiva ya que se puede forzar la existencia de tal isomorfismo sin añadir nuevos puntos a $\mathbf{C}$ o $\mathbf{Q}_p$ . En consecuencia, cualquier hecho puramente field-theoretic que se puede demostrar utilizando este isomorfismo genérico también se puede demostrar sin (por lo general con más trabajo). Como el forzamiento no se entiende bien, lo explicaré en términos de láminas. (Si estás más familiarizado con el forzamiento y no te interesan las láminas, simplemente observa que el poset $P$ a continuación es contablemente cerrado e ignora el resto de este post).

Sea $P$ sea el conjunto de isomorfismos de campo $p:A\rightarrow B$ donde $A$ es un subcampo contable de $\mathbf{C}$ y $B$ es un subcampo contable del cierre algebraico de $\mathbf{Q}_p$ y $p \le q$ si $p \supseteq q$ (es decir $q$ es una restricción de $p$ ). Esta ordenación es ligeramente contraintuitiva, pero es más conveniente que la contraria. El poset $P$ puede considerarse como una categoría en la que existe una y sólo una flecha entre dos objetos cualesquiera $p$ y $q$ si $p \le q$ . El poset $P$ se convierte entonces en una categoría cartesiana donde el objeto terminal es el isomorfismo entre las dos copias de $\mathbf{Q}$ en cada campo, y el producto de $p$ y $q$ es la intersección de las (gráficas de) $p$ y $q$ .

Hay muchas topologías de Grothendieck que se podrían definir en $P$ . La relevante para nuestro contexto es la topología más pequeña de Grothendieck $S$ en $P$ tal que, para todo $x$ en $\mathbf{C}$ y todos $y$ en el cierre algebraico de $\mathbf{Q}_p$ los tamices $\{q \le p : x \in \mathrm{dom}(q)\}$ y $\{q \le p : y \in \mathrm{rng}(q)\}$ son ambos tamices de cobertura en $p$ . (Cualquier topología de Grothendieck mayor servirá; para forzar se utiliza la topología de doble negación que incluye ésta). Obsérvese que los puntos de (la localidad asociada a) el lugar $(P, S)$ están en correspondencia uno a uno con isomorfismos entre $\mathbf{C}$ y el cierre algebraico de $\mathbf{Q}_p$ .

Ahora, los isomorfismos entre $\mathbf{C}$ y el cierre algebraico de $\mathbf{Q}_p$ se corresponden precisamente con morfismos geométricos $\mathrm{Set} \rightarrow \mathrm{Sh}(P, S)$ . Lo que conserve este morfismo geométrico puede hacerse igual de bien en ambos lados. En otras palabras, muchas cosas que se pueden hacer en $\mathrm{Set}$ utilizando un isomorfismo de este tipo también puede hacerse en $\mathrm{Sh}(P, S)$ sin este supuesto. Por supuesto, esto depende en gran medida de lo que haya que hacer, pero hay formas conocidas de llevar a cabo este tipo de análisis. Dado que el sitio $(P, S)$ es relativamente agradable, este análisis está lejos de ser imposible.


Es interesante ver cómo esto formaliza el punto de vista de Emerton. Los objetos de $\mathrm{Sh}(P, S)$ son functores $F:P^{\mathrm{op}} \rightarrow \mathrm{Set}$ con los requisitos habituales de continuidad. Se puede pensar en $F$ como un conjunto que evoluciona a lo largo de $P$ . Esto tiene sentido ya que debemos pensar en isomorfismos parciales $p \in P$ como aproximaciones al isomorfismo deseado de $\mathbf{C}$ en el cierre algebraico de $\mathbf{Q}_p$ . Cada vez hay más información en $p$ cada vez obtenemos más información sobre el tallo de $F$ en un punto determinado. Aunque en su respuesta sólo considera las primeras aproximaciones, el punto de vista de Emerton corresponde precisamente a trabajar en $\mathrm{Set}$ teniendo en cuenta que el trabajo que se realiza podría hacerse igual de bien en $\mathrm{Sh}(P, S)$ en su lugar.

20voto

Zameer Manji Puntos 1213

Estoy bastante contento con este isomorfismo, pero tal vez no tanto por la prueba que utiliza el axioma de elección (aunque no me opongo particularmente a AC) sino más bien porque mi sensación es que, siempre que se utilice, lo que es realmente es una elección de isomorfismo entre el cierre algebraico de $\mathbb Q$ en $\mathbb C$ y el cierre algebraico de $\mathbb Q$ en $\overline{\mathbb Q}_{\ell}$ (y no tengo absolutamente ninguna objeción a identificar estas dos algebraicas algebraicas).

Siempre que se utilice un isomorfismo de este tipo en aritmética, y no se esté utilizando en última instancia para identificar los números algebraicos en los dos campos, creo que es bastante sin sentido. (Por ejemplo, para formas modulares de wt. $k \geq 1$ me complace identificar el espacio sobre tal $\mathbb C$ con el espacio análogo sobre $\mathbb Q_{\ell}$ ya que las formas propias cupsidales normalizadas tienen coeficientes algebraicos enteros, por lo que estos espacios tienen una $\overline{\mathbb Q}$ -Estructura. Pero tomar eigenformas de Maass no algebraicas, y pensar en sus coeficientes de Fourier como números en $\overline{\mathbb Q}_{\ell}$ Aunque técnicamente es posible, conceptualmente carece de sentido).

En mis propios trabajos suelo fijar un isomorfismo de este tipo (o incluso uno para cada $\ell$ ), pero no creo que tenga ninguna importancia más allá de la identificación de las dos copias de $\overline{\mathbb Q}$ .

Añadido: Los comentarios que siguen me han obligado a reflexionar un poco más sobre mi postura. He aquí un intento de afinarla:

Cualquier extensión generada contablemente de $\mathbb Q$ puede incrustarse en $\mathbb C$ o $\overline{\mathbb Q}_{\ell}$ , y cuando invoco, o he visto invocar, un isomorfismo entre estos dos últimos campos, pienso en ello como una abreviatura de algo como lo siguiente: en la prueba dada, un subcampo contablemente generado de $\mathbb C$ (por ejemplo, el campo generado por los valores propios de Hecke de una forma de Maass). Una vez fijado el isomorfismo entre $\mathbb C$ y $\overline{\mathbb Q}_{\ell}$ , hemos fijado en particular una incrustación de este campo en $\overline{\mathbb Q}_{\ell}$ , y por ello hemos elegido una extensión del $\ell$ -valor absoluto de este campo. (Por supuesto, se podrían intercambiar los papeles de $\mathbb C$ y $\overline{\mathbb Q}_{\ell}$ aquí).

En virtud de la fijación del isomorfismo entre $\mathbb C$ y $\overline{\mathbb Q}_{\ell}$ , uno se está asegurando de que cualquiera de estas extensiones sea compatible, si por el camino encontramos diferentes subcampos de $\mathbb C$ y esa es una gran ventaja, a la hora de escribir un argumento, de fijar tal isomorfismo de una vez por todas. Pero en la práctica no sé si uno se encuentra con algo más serio que un único subcampo contablemente generado que contenga todos los los números complejos que aparecen en la prueba. Y por lo tanto no se utiliza nada parecido a la toda la fuerza del isomorfismo.

Supongo que esto me pone en el bando de Deligne: el isomorfismo es conveniente, pero uno podría arreglárselas con algo mucho más débil, simplemente implicando subcampos contablemente generados de $\mathbb C$ .

12voto

user4183 Puntos 61

No creo que uno deba tratar de determinar si acepta o rechaza el axioma de la elección o cualquier otro axioma independiente apelando a la "credibilidad" de algunas consecuencias del mismo. Con los conjuntos infinitos, nuestra intuición es demasiado a menudo engañosa. Nos acostumbramos a ciertas "paradojas" como el hotel de Hilbert porque las vemos muy pronto en nuestra vida matemática, pero nadie debería afirmar que tiene una intuición completa de la teoría de conjuntos.

En cuanto al ejemplo, $\bar{\mathbf{Q}}_p$ y $\mathbf{C}$ son isomorfos si el axioma de elección es cierto, y ya está. Ambos se construyen utilizando una terminación, lo que los convierte en campos topológicos, y no son homeomorfos ni isomorfos normados, probablemente por eso a algunos nos parece un poco mal.

5voto

ricree Puntos 5055

Me temo que esto ha sido demasiado largo para un comentario.

Parece que la gente no se opone demasiado cuando afirmamos que $\mathbb{C}$ y $\overline{\mathbb{Q}_p}$ son isomorfos como conjuntos o como grupos abelianos. De alguna manera, el uso de la elección al establecer un isomorfismo teórico de anillos molesta mucho más a los matemáticos, y sospecho que es porque las implicaciones están más en desacuerdo con la intuición que construimos al considerar extensiones finitas de campos, o la estructura geométrica que normalmente se adjunta a los campos. Al considerar mapas puramente teóricos de anillos, seguimos olvidando mucho bagaje estructural, por ejemplo, una respuesta afirmativa a la pregunta similar sobre la existencia de una incrustación de campos $\mathbb{C}(t) \hookrightarrow \mathbb{C}$ tira por la borda todo lo que sabemos sobre curvas de género cero.

Personalmente respondería a su pregunta con un "sí", aunque no lo argumentaría con mucha convicción. Me interesaría saber si hubiera una forma lógica de trocear la elección de modo que los isomorfismos de conjuntos y grupos estuvieran bien pero los isomorfismos de anillos no.

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