Теория Черна – Саймонса

редактировать
Трехмерная топологическая квантовая теория поля, действие которой представляет собой форму Черна – Саймонса

Теория Черна – Саймонса - это трехмерная топологическая квантовая теория поля типа типа Шварца, разработанная Эдвардом Виттеном. Впервые его открыл физик-математик Альберт Шварц. Он назван в честь математиков Шиинг-Шен Черна и Джеймса Харриса Саймонса, которые представили 3-форму Черна – Саймонса. В теории Черна – Саймонса действие пропорционально интегралу от 3-формы Черна – Саймонса.

. В физике конденсированных сред, теории Черна – Саймонса описывает топологический порядок в состояниях дробного квантового эффекта Холла. В математике он использовался для вычисления инвариантов узлов и трехмногообразных инвариантов, таких как многочлен Джонса.

. В частности, теория Черна – Саймонса задается выбором простой группы Ли G, известной как калибровочная группа теории, а также числа, называемого уровнем теории, которое является константой, умножающей действие. Действие зависит от калибровки, однако статистическая сумма квантовой теории четко определена, когда уровень является целым числом, а калибровочная напряженность поля исчезает на всех границах трехмерного пространства-времени.

Он также использовался для создания топологических квантовых компьютеров (TQC). В частности, теория SU (2) Черна – Саймонса описывает простейшую неабелеву анионную модель TQC, модель Янга-Ли-Фибоначчи. Его правила слияния также описываются теорией WZW и конформной теорией поля.

Содержание
  • 1 Классическая теория
    • 1.1 Математическое происхождение
    • 1.2 Конфигурации
    • 1.3 Динамика
  • 2 Квантование
  • 3 Наблюдаемые
    • 3.1 Петли Вильсона
    • 3.2 Полиномы ХОМФЛИ и Джонса
  • 4 Связь с другими теориями
    • 4.1 Топологические теории струн
    • 4.2 WZW и матричные модели
    • 4.3 Теория гравитации Черна – Саймонса
    • 4.4 Теории материи Черна – Саймонса
  • 5 Термины Черна – Саймонса в других теориях
    • 5.1 Однопетлевые перенормировки уровня
  • 6 См. также
  • 7 Источники
  • 8 Внешние ссылки
Классическая теория

Математическое происхождение

В 1940-е годы С. С. Черн и А. Вейль изучал свойства глобальной кривизны гладких многообразий M как когомологии де Рама (теория Черна – Вейля ), что является важным шагом в теории характеристических классов в дифференциальной геометрии. Для плоского G- главного расслоения P на M существует единственный гомоморфизм, называемый гомоморфизмом Черна – Вейля, из алгебры G-сопряженных инвариантных многочленов на g (алгебра Ли G) когомологиям H ∗ (M, R) {\ displaystyle H ^ {*} (M, \ mathbb {R})}H ^ {*} (M, \ mathbb {R }) . Если инвариантный многочлен однороден, то конкретную k-форму замкнутой связности ω можно записать как некоторую 2k-форму соответствующей формы кривизны Ω связности ω.

В 1974 г. С.С. Черн и Дж. Х. Саймонс конкретно построил (2k - 1) -форму df (ω) такую, что

d T f (ω) = f (Ω k), {\ displaystyle dTf (\ omega) = f ( \ Omega ^ {k}),}{\ displaystyle dTf (\ omega) = f ( \ Omega ^ {k}),}

где T - гомоморфизм Черна – Вейля. Эта форма называется формой Черна – Саймонса. Если df (ω) замкнуто, можно проинтегрировать указанную выше формулу

T f (ω) = ∫ C f (Ω k), {\ displaystyle Tf (\ omega) = \ int _ {C} f (\ Omega ^ {k}),}{\ displaystyle Tf (\ omega) = \ int _ {C} f (\ Omega ^ {k}),}

где C - (2k - 1) -мерный цикл на M. Этот инвариант называется инвариантом Черна – Саймонса . Как указывалось во введении к статье Черна – Саймонса, инвариант Черна – Саймонса CS (M) - это граничный член, который не может быть определен какой-либо чистой комбинаторной формулировкой. Его также можно определить как

CS (M) = ∫ s (M) 1 2 T p 1 ∈ R / Z, {\ displaystyle CS (M) = \ int _ {s (M)} {\ tfrac { 1} {2}} Tp_ {1} \ in \ mathbb {R} / \ mathbb {Z},}{\ Displaystyle CS (M) = \ int _ {s (M)} {\ tfrac {1} {2}} Tp_ {1} \ in \ mathbb {R} / \ mathbb {Z},}

, где p 1 {\ displaystyle p_ {1}}p_ {1} - это первое число Понтрягина, а s (M) - сечение нормального ортогонального расслоения P. Более того, член Черна – Саймонса описывается как эта-инвариант, определенный Атьей, Патоди и Сингером.

Калибровочную инвариантность и метрическую инвариантность можно рассматривать как инвариантность относительно действия присоединенной группы Ли в теории Черна – Вейля. интеграл действия (интеграл по путям ) теории поля в физике рассматривается как лагранжиан интеграл формы Черна – Саймонса и Петля Вильсона, голономия векторного расслоения на M. Это объясняет, почему теория Черна – Саймонса тесно связана с топологической теорией поля.

Конфигурации

Теории Черна – Саймонса могут быть определены на любом топологическое 3-многообразие M, с краем или без него. Поскольку эти теории являются топологическими теориями типа Шварца, не нужно вводить метрику на M.

Теория Черна – Саймонса является калибровочной теорией, что означает, что классическая конфигурация в теории Черна – Саймонса на M с калибровочной группой G описывается главным G-расслоением на M. Связность этого пучка характеризуется связной одной формой A, которая значна в алгебре Ли gгруппы Ли G. В общем, соединение A определяется только на отдельных участках координат , а значения A на разных участках связаны картами, известными как преобразование датчика. Они характеризуются утверждением, что ковариантная производная, которая является суммой внешней производной оператора d и связи A, преобразуется в присоединенное представление калибровочная группа G. Квадрат ковариантной производной с самим собой можно интерпретировать как g -значную 2-форму F, называемую формой кривизны или напряжённостью поля. Он также преобразуется в присоединенное представление.

Динамика

Действие S теории Черна – Саймонса пропорционально интегралу от 3-формы Черна – Саймонса

S = k 4 π ∫ M tr (A ∧ d A + 2 3 A ∧ A ∧ A). {\ displaystyle S = {\ frac {k} {4 \ pi}} \ int _ {M} {\ text {tr}} \, (A \ wedge dA + {\ tfrac {2} {3}} A \ wedge A \ wedge A).}S = {\ frac {k} {4 \ pi}} \ int _ {M} {\ текст {tr}} \ (A \ клин dA + {\ tfrac {2} {3}} A \ клин A \ клин A).

Постоянная k называется уровнем теории. Классическая физика теории Черна – Саймонса не зависит от выбора уровня k.

Классически система характеризуется своими уравнениями движения, которые представляют собой экстремумы действия по отношению к вариациям поля A. В терминах кривизны поля

F = d A + A ∧ A { \ displaystyle F = dA + A \ wedge A \,}F = dA + A \ клин A \,

уравнение поля явно имеет вид

0 = δ S δ A = k 2 π F. {\ displaystyle 0 = {\ frac {\ delta S} {\ delta A}} = {\ frac {k} {2 \ pi}} F.}0 = {\ frac {\ delta S} {\ delta A}} = {\ frac {k} {2 \ pi}} F.

Следовательно, классические уравнения движения выполняются тогда и только тогда, когда кривизна везде равна нулю, и в этом случае соединение называется плоским. Таким образом, классические решения теории Дж. Черна – Саймонса - это плоские связности главных G-расслоений на M. Плоские связности полностью определяются голономиями вокруг несжимаемых циклов на базе M. Точнее, они находятся во взаимно однозначном соответствии с классы эквивалентности гомоморфизмов фундаментальной группы группы M калибровочной группе G с точностью до сопряжения.

Если M имеет границу N, то есть дополнительные данные, описывающие выбор тривиализации главного G-расслоения на N. Такой выбор характеризует отображение из N в G. Описывается динамика этого отображения. по модели Весса – Зумино – Виттена (WZW) на N на уровне k.

Квантование

Для канонического квантования теории Черна – Саймонса нужно определить состояние на каждой двумерной поверхности Σ в M. Как и в любой квантовой теории поля, состояния соответствуют к лучам в гильбертовом пространстве. В топологической теории поля типа Шварца нет предпочтительного понятия времени, поэтому можно потребовать, чтобы Σ была поверхностью Коши, фактически, состояние может быть определено на любой поверхности.

Σ имеет коразмерность один, поэтому можно разрезать M вдоль Σ. После такого разрезания M будет многообразием с краем, и, в частности, классически динамика Σ будет описываться моделью WZW. Виттен показал, что это соответствие сохраняется даже квантово-механически. Точнее, он продемонстрировал, что гильбертово пространство состояний всегда конечномерно и может быть канонически отождествлено с пространством конформных блоков модели G WZW на уровне k.

Например, когда Σ является 2-сферой, это гильбертово пространство одномерно и поэтому существует только одно состояние. Когда Σ является 2-тором, состояния соответствуют интегрируемым представлениям аффинной алгебры Ли, соответствующей g на уровне k. Для решения Виттена теории Черна – Саймонса характеризации конформных блоков высших родов не требуется.

Наблюдаемые

Петли Вильсона

Наблюдаемые теории Черна – Саймонса - это n-точечные корреляционные функции калибровочно- инвариантные операторы. Наиболее часто изучаемым классом калибровочно-инвариантных операторов являются лупы Вильсона. Петля Вильсона - это голономия вокруг петли в M, прослеженная в данном представлении R группы G. Поскольку нас будут интересовать произведения петель Вильсона, без ограничения общности мы можем ограничить наше внимание неприводимые представления R.

Более конкретно, учитывая неприводимое представление R и цикл K в M, можно определить цикл Вильсона WR (K) {\ displaystyle W_ {R} (K)}W_ {R} (K) на

WR (K) = Tr RP exp ⁡ (я ∮ KA) {\ displaystyle W_ {R} (K) = \ operatorname {Tr} _ {R} \, {\ mathcal {P}} \ exp \ left (i \ oint _ {K} A \ right)}{\ displaystyle W_ {R} (K) = \ operatorname {Tr} _ {R} \, {\ mathcal {P}} \ ехр \ влево (я \ oint _ {K} A \ справа)}

где A - форма связи 1, и мы берем главное значение Коши из контурного интеграла и P exp {\ displaystyle {\ mathcal {P}} \ exp}{\ displaystyle {\ mathcal {P}} \ exp} - это экспонента с упорядоченным по пути.

полиномы ХОМФЛИ и Джонса

Рассмотрим ссылку L в M, которое является набором ℓ непересекающихся петель. Особенно интересной наблюдаемой является ℓ-точечная корреляционная функция, сформированная из произведения петель Вильсона вокруг каждой непересекающейся петли, каждая из которых прослеживается в фундаментальном представлении G. Можно сформировать нормализованную корреляционную функцию, разделив эту наблюдаемую статистической суммой Z (M), которая является просто нулевой корреляционной функцией.

В частном случае, когда M представляет собой 3-сферу, Виттен показал, что эти нормализованные корреляционные функции пропорциональны известным полиномам узла. Например, в теории G = U (N) Черна – Саймонса на уровне k нормализованная корреляционная функция с точностью до фазы равна

sin ⁡ (π / (k + N)) sin ⁡ (π N / (к + N)) {\ displaystyle {\ frac {\ sin (\ pi / (k + N))} {\ sin (\ pi N / (k + N))}}}{\ frac {\ sin (\ pi / (k + N))} {\ sin (\ pi N / (k + N))}}

умножить на Полином ХОМФЛИ. В частности, когда N = 2, многочлен ХОМФЛИ сводится к многочлену Джонса. В случае SO (N) можно найти аналогичное выражение с полиномом Кауфмана.

. Неоднозначность фазы отражает тот факт, что, как показал Виттен, квантовые корреляционные функции не полностью определяются классическими данными. Число связи петли с самим собой входит в расчет статистической суммы, но это число не инвариантно при малых деформациях и, в частности, не является топологическим инвариантом. Это число может быть четко определено, если выбрать кадрирование для каждого цикла, который представляет собой выбор предпочтительного ненулевого вектора нормали в каждой точке, вдоль которой происходит деформация цикла для вычисления его самосвязанного числа. Эта процедура является примером процедуры регуляризации, введенной Полем Дираком и Рудольфом Пайерлсом для определения явно расходящихся величин в квантовой теории поля в 1934.

Сэр Майкл Атия показал, что существует канонический выбор 2-обрамления, который обычно используется в современной литературе и приводит к четко определенному номеру связи. С каноническим обрамлением указанная выше фаза является экспонентой, умноженной на 2πi / (k + N) связующего числа L с самим собой.

Задача (Расширение полинома Джонса на общие трехмерные многообразия)

«Исходный многочлен Джонса был определен для 1-звеньев в 3-сфере (3-шар, 3-пространство R3). Можете ли вы определить полином Джонса для 1-звеньев в любом 3-многообразии? ''

См. Раздел 1.1 этой статьи, где описаны предпосылки и история этой проблемы. Кауфман представил решение в случае многообразия-произведения замкнутой ориентированной поверхности и отрезка, введя виртуальные 1-узлы. В остальных случаях он открыт. Интеграл по путям Виттена для полинома Джонса формально записывается для зацеплений в любом компактном 3-многообразии, но исчисление не выполняется даже на уровне физики в любом случае, кроме 3-сферы (3-шар, 3-пространство R ). Эта проблема также открыта на уровне физики. В случае полинома Александера эта проблема решена.

Связь с другими теориями

Топологические теории струн

В контексте теории струн, теория U (N) Черна – Саймонса на ориентированном Лагранжево 3-подмногообразие M 6-многообразия X возникает как теория поля струн открытых струн, оканчивающихся на D-бране, обертывающей X в A-модель топологическая теория струн на X. B-модель топологическая теория открытого струнного поля на заполняющем мировом объеме стопки D5-бран является 6-мерным вариантом теории Черна – Саймонса, известной как голоморфная теория Черна – Саймонса. теория.

WZW и матричные модели

Теории Черна – Саймонса связаны со многими другими теориями поля. Например, если рассматривать теорию Черна – Саймонса с калибровочной группой G на многообразии с краем, тогда все 3-мерные распространяющиеся степени свободы могут быть откалиброваны, оставляя двумерную конформную теорию поля известная как модель G Весса – Зумино – Виттена на границе. Кроме того, теории U (N) и SO (N) Черна – Саймонса при больших N хорошо аппроксимируются матричными моделями.

теорией гравитации Черна – Саймонса

В 1982 г. S. Дезер, Р. Джеки и С. Темплтон предложили теорию гравитации Черна – Саймонса в трех измерениях, в которой действие Эйнштейна – Гильберта в теории гравитации модифицируется путем добавления члена Черна – Саймонса. Дезер, Jackiw Templeton (1982)

В 2003 году R. Jackiw и SY Pi расширили эту теорию до четырех измерений Jackiw Pi (2003), и теория гравитации Черна – Саймонса оказывает значительное влияние не только на фундаментальные аспекты. физика, но также теория конденсированного состояния и астрономия.

Четырехмерный случай очень похож на трехмерный случай. В трех измерениях гравитационный член Черна – Саймонса равен

C S (Γ) = 1 2 π 2 ∫ d 3 x ε i j k (Γ i q p ∂ j Γ k p q + 2 3 Γ i q p Γ j r q Γ k p r). {\ Displaystyle CS (\ Gamma) = {\ frac {1} {2 \ pi ^ {2}}} \ int d ^ {3} x \ varepsilon ^ {ijk} {\ biggl (} \ Gamma _ {iq} ^ {p} \ partial _ {j} \ Gamma _ {kp} ^ {q} + {\ frac {2} {3}} \ Gamma _ {iq} ^ {p} \ Gamma _ {jr} ^ {q } \ Gamma _ {kp} ^ {r} {\ biggr)}.}{\ displaystyle CS (\ Gamma) = {\ frac {1} {2 \ pi ^ {2}}} \ int d ^ {3} x \ varepsilon ^ {ijk} {\ biggl (} \ Gamma _ {iq} ^ {p} \ partial _ {j} \ Gamma _ {kp} ^ {q} + {\ frac {2} {3}} \ Гамма _ {iq} ^ {p} \ Gamma _ {jr} ^ {q} \ Gamma _ {kp} ^ {r} {\ biggr)}.}

Этот вариант дает тензор Коттона

= - 1 2 g (ε mij D i R jn + ε nij D i R jm). {\ displaystyle = - {\ frac {1} {2 {\ sqrt {g}}}} {\ bigl (} \ varepsilon ^ {mij} D_ {i} R_ {j} ^ {n} + \ varepsilon ^ { nij} D_ {i} R_ {j} ^ {m}).}{\ displaystyle = - {\ frac {1} {2 {\ sqrt {g}}}} {\ bigl (} \ varepsilon ^ {mij} D_ {i} R_ {j} ^ {n} + \ varepsilon ^ {nij} D_ {i} R_ {j} ^ {m}).}

Затем выполняется модификация трехмерной гравитации Черна – Саймонса путем добавления вышеупомянутого тензора Коттона к уравнению поля, которое может быть получено как вакуумное решение путем варьирования действия Эйнштейна – Гильберта.

См. Также (2 + 1) - трехмерная топологическая гравитация.

Теории материи Черна – Саймонса

В 2013 году Кеннет А. Интрилигатор и Натан Зайберг решили эти трехмерные калибровочные теории Черна – Саймонса и их фазы с использованием монополей, несущих дополнительные степени свободы. Индекс Виттена из множества обнаруженных вакуума был вычислен путем компактификации пространства путем включения массовых параметров и последующего вычисления индекса. В некоторых вакуумах была вычислена суперсимметрия, которая должна быть нарушена. Эти монополи были связаны с вихрями конденсированного состояния вихрями. (Intriligator Seiberg (2013))

Теория материи Черна – Саймонса с N = 6 представляет собой голографический двойственный М-теории на A d S 4 × S 7 {\ displaystyle AdS_ {4} \ times S_ {7}}AdS_ {4} \ times S_ {7} .

Термины Черна – Саймонса в других теориях

Термин Черна – Саймонса также может быть добавлен к моделям, которые не являются топологическими квантовыми теориями поля. В 3D это дает начало массивному фотону, если этот член добавить к действию теории Максвелла электродинамики. Этот член может быть вызван интегрированием по массивному заряженному полю Дирака. Он также проявляется, например, в квантовом эффекте Холла. Десятимерные и одиннадцатимерные обобщения членов Черна – Саймонса появляются в действиях всех десяти- и одиннадцатимерных супергравитации теории.

Однопетлевые перенормировки уровня

Если добавить материю к калибровочной теории Черна – Саймонса, то она, вообще говоря, перестанет быть топологической. Однако если добавить n майорановские фермионы тогда из-за аномалия четности, при интегрировании они приводят к чистой теории Черна – Саймонса с однопетлевой перенормировкой уровня Черна – Саймонса на −n / 2, другими словами к теории уровня k с n фермионов эквивалентна теории уровня k - n / 2 без фермионов.

См. Также
Ссылки
Конкретный
  1. ^Freedman, Michael H.; Китаев, Алексей; Ларсен, Майкл Дж.; Ван, Чжэнхань (20.09.2002). «Топологические квантовые вычисления». arXiv : Quant-ph / 0101025.
  2. ^Ван, Чжэнхань. «Топологические квантовые вычисления» (PDF).
  3. ^Кауфман, Л.Х.; Огаса, Э; Schneider, J (2018), Прядильная конструкция для виртуальных 1-узлов и 2-узлов, а также послойная и сварная эквивалентность виртуальных 1-узлов, arXiv : 1808.03023
  4. ^Кауфман, Л. (1998), Обсуждения на заседании ИИГС в январе 1997 г., Встреча AMS в Университете Мэриленда, Колледж-Парк в марте 1997 г., Лекция в Институте Исаака Ньютона в ноябре 1997 г., Встреча Узлов в Элладе в Дельфи, Греция в июле 1998 г. Системы Янга-Бакстера, нелинейные модели и приложения в Сеуле, Корея, октябрь 1998 г., теория виртуальных узлов, European J. Combin. 20 (1999) 663–690, arXiv : math / 9811028
Внешние ссылки
Последняя правка сделана 2021-05-14 10:04:18
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте