Gösterge teorilerinde ve kuantum yerçekiminde döngü gösterimi - Loop representation in gauge theories and quantum gravity

Standart Modelin Ötesinde
Simüle edilmiş Büyük Hadron Çarpıştırıcısı CMS a tasvir eden parçacık dedektörü verileri Higgs bozonu hadron jetleri ve elektronlara bozunan protonların çarpışmasıyla üretilir
Standart Model
Kanıt Hiyerarşi sorunu Karanlık madde Karanlık enerji Öz Hayalet enerji Karanlık radyasyon Karanlık foton Kozmolojik sabit problem Güçlü CP sorunu Nötrino salınımı
Teoriler Her şeyin teorisi Matematiksel evren hipotezi Büyük Birleşik Teori Dirac denizi Technicolor Kaluza-Klein teorisi Kuantum alan teorisi Eğri uzay-zamanda kuantum alan teorisi Termal kuantum alan teorisi Topolojik kuantum alan teorisi Konformal alan teorisi İki boyutlu konformal alan teorisi Liouville alan teorisi 6D (2,0) süper konformal alan teorisi Kuantum mekaniği Kuantum kozmolojisi Brane kozmolojisi Sicim teorisi Süper sicim teorisi M-teorisi Ayna meselesi Randall-Sundrum modeli de Broglie – Bohm teorisi Stokastik elektrodinamik Özdurum termalleştirme hipotezi Yang-Mills teorisi N = 4 süpersimetrik Yang-Mills teorisi Twistör sicim teorisi Koyu sıvı Süperakışkan vakum teorisi İki kat özel görelilik de Sitter değişmez özel görelilik Nedensel fermiyon sistemleri Kuantum termodinamiği Kara delik termodinamiği Dijital fizik Parçacık fiziği Gösterge teorisi Ölçer yerçekimi teorisi Ölçer teorisi yerçekimi Gizli değişken teorisi Pilot dalga teorisi CPT simetrisi
Süpersimetri MSSM NMSSM Süper sicim teorisi M-teorisi Süper yerçekimi Süpersimetri kırılması Büyük ekstra boyutlar
Kuantum yerçekimi Sicim teorisi Spin köpük Kuantum geometrisi Döngü kuantum yerçekimi Döngü kuantum kozmolojisi Nedensel dinamik üçgenleme Nedensel fermiyon sistemleri Nedensel kümeler Olay simetrisi Kanonik kuantum yerçekimi Yarı klasik yerçekimi Süperakışkan vakum teorisi
Deneyler ANNIE Gran Sasso BEN HAYIR LHC SNO Süper-K Tevatron Nova

Gösterge teorilerini aşağıdaki gibi genişletilmiş nesneler açısından tanımlamak için girişimlerde bulunulmuştur.Wilson döngüleri ve holonomi. döngü gösterimi gösterge teorilerinin döngüler cinsinden kuantum Hamilton temsilidir. Döngü temsilinin amacı bağlamında Yang-Mills teoriler, doğrudan fiziksel durumların uzayında (Gauss ölçü değişmez durumları) çalışmaya izin veren Gauss gösterge simetrilerinin getirdiği fazlalıktan kaçınmaktır. Fikir, kafes Yang-Mills teorisi bağlamında iyi bilinmektedir (bkz. kafes ayar teorisi ). Sürekli döngü temsilini keşfetme girişimleri, kanonik Yang-Mills teorisi için Gambini ve Trias tarafından yapıldı, ancak tekil nesneleri temsil ettikleri için zorluklar vardı. Göreceğimiz gibi, döngü biçimciliği basit bir ölçü değişmez tanımının çok ötesine geçer, aslında ölçü teorilerini ve kuantum yerçekimini temel fiziksel uyarımlar açısından ele alan doğal geometrik çerçevedir.

Tarafından giriş Aştekar yeni bir değişken kümesinin (Ashtekar değişkenleri ) genel göreliliği ölçü teorileriyle aynı dile döktü ve birinin döngü tekniklerini Einstein'ın teorisinin doğal bir pertürbatif olmayan açıklaması olarak uygulamasına izin verdi. İçinde kanonik kuantum yerçekimi sürekli döngü gösterimini kullanmadaki zorluklar uzaysal diffeomorfizm değişmezlik Genel görelilik. Döngü gösterimi aynı zamanda uzaysal diffeomorfizm kısıtlamasının doğal bir çözümünü sağlar ve kanonik kuantum yerçekimi ve düğüm teorisi. Şaşırtıcı bir şekilde, Ashtekar'ın orijinaline (kötü tanımlanmış) kesin (sadece resmi olsa da) çözümler sağlayan bir döngü durumu sınıfı vardı. Wheeler-DeWitt denklemi. Bu nedenle, bu gösterimde kanonik kuantum genel kütleçekiminin tüm denklemleri için sonsuz bir dizi kesin (eğer sadece biçimsel) çözüm tanımlanmıştı! Bu, yaklaşıma büyük ilgi uyandırdı ve sonunda döngü kuantum yerçekimi (LQG).

Döngü gösterimi matematikte uygulama bulmuştur. Eğer topolojik kuantum alan teorileri döngüler cinsinden formüle edildiğinde, ortaya çıkan miktarlar olarak bilinen düğüm değişmezleri. Topolojik alan teorileri yalnızca sınırlı sayıda serbestlik derecesini içerir ve bu nedenle tam olarak çözülebilir. Sonuç olarak, düğümlerin değişmezleri olan somut hesaplanabilir ifadeler sağlarlar. Bu tam olarak Edward Witten^[1] hesaplama döngüsüne bağlı miktarların Chern-Simons ve diğer üç boyutlu topolojik kuantum alan teorileri, düğüm değişmezleri için açık, analitik ifadeler üretebilir. Bu konudaki çalışmaları için 1990 yılında kendisine Fields Madalyası. Genellikle matematikte en büyük onur olarak görülen Fields Madalyası ile ödüllendirilen ilk ve şu ana kadar tek fizikçidir.

Maxwell teorisinin ölçü değişmezliği

Ayar simetrileri fikri Maxwell'in teorisine dahil edildi. Maxwell denklemleri

${ displaystyle nabla cdot { vec {E}} = { rho over epsilon _ {0}} qquad nabla times { vec {B}} - epsilon _ {0} mu _ {0} { kısmi { vec {E}} over partic t} = mu _ {0} { vec {J}} qquad nabla times { vec {E}} + { kısmi { vec {B}} over kısmi t} = 0 qquad nabla cdot { vec {B}} = 0}$

nerede ${ displaystyle rho}$ yük yoğunluğu ve ${ displaystyle { vec {J}}}$ akım yoğunluğu. Son iki denklem, skaler potansiyel cinsinden alanlar yazarak çözülebilir, ${ displaystyle phi}$ve bir vektör potansiyeli, ${ displaystyle { vec {A}}}$:

${ displaystyle { vec {E}} = - nabla phi - { kısmi { vec {A}} üzerinden kısmi t} qquad { vec {B}} = nabla times { vec {A}}}$.

Potansiyeller alanları benzersiz bir şekilde belirler, ancak alanlar potansiyelleri benzersiz şekilde belirlemez - değişiklikleri yapabiliriz:

${ displaystyle phi '= phi + { kısmi Lambda kısmi t} qquad { vec {A}}' = { vec {A}} - nabla Lambda}$

elektrik ve manyetik alanları etkilemeden ${ displaystyle Lambda ({ vec {x}}, t)}$ uzay-zamanın keyfi bir fonksiyonudur. Bunlara gösterge dönüşümleri denir. Zarif bir göreli gösterim vardır: gösterge alanı

${ displaystyle A ^ { mu} = ( phi, { vec {A}})}$

ve yukarıdaki gösterge dönüşümleri,

${ displaystyle {A ^ { mu}} '= A ^ { mu} + kısmi ^ { mu} Lambda}$.

Sözde alan gücü tensörü tanıtıldı,

${ displaystyle F ^ { mu nu} = kısmi ^ { mu} A ^ { nu} - kısmi ^ { nu} A ^ { mu}}$

ölçü dönüşümleri altında değişmez olduğu kolayca gösterilir. Bileşenlerde,

${ displaystyle F ^ {0i} = E ^ {i}, qquad epsilon ^ {ijk} F ^ {jk} = B ^ {i}}$.

Maxwell'in kaynaksız eylemi şu şekilde verilir:

${ displaystyle S = - {1 2'den fazla} int d ^ {4} x { Büyük (} F _ { mu nu} F ^ { mu nu} { Büyük)}}$.

Gösterge potansiyelini uzay ve zamanda farklı noktalarda değiştirme yeteneği (değiştirerek) ${ displaystyle Lambda ({ vec {x}}, t)}$) fiziği değiştirmeden yerel değişmezlik denir. Elektromanyetik teori, adı verilen en basit yerel gösterge simetrisine sahiptir. ${ displaystyle U (1)}$ (görmek üniter grup ). Yerel gösterge değişmezliğini gösteren bir teoriye ayar teorisi denir. Diğer ölçü teorilerini formüle etmek için yukarıdaki mantığı tersyüz ediyoruz. Bu, sonraki bölümün konusu.

Bağlantı ve ölçü teorileri

Bağlantı ve Maxwell teorisi

Kuantum mekaniğinden, dalga fonksiyonunu değiştirirsek, ${ displaystyle psi (x)}$, elektron alanını tanımlayarak

${ displaystyle psi '(x) = exp (i teta) psi (x)}$

fiziksel tahminleri değiştirmeden bırakıyor. Elektron alanı fazına yerel değişmezliğin empoze edilmesini düşünüyoruz,

${ displaystyle psi '(x) = Omega psi (x) = exp (i theta (x)) psi (x)}$

Sorun şu ki, türevleri ${ displaystyle psi (x)}$ bu dönüşüm altında eşdeğişken değildir:

${ displaystyle kısmi _ { mu} ( exp (i theta (x)) psi (x)) = Omega kısmi _ { mu} psi (x) + kısmi _ { mu} Omega psi (x)}$.

İkinci istenmeyen terimi iptal etmek için, yeni bir türev operatörü tanıtılır. ${ displaystyle { mathcal {D}} _ { mu}}$ bu kovaryanttır. İnşa etmek ${ displaystyle { mathcal {D}} _ { mu}}$biri yeni bir alan, bağlantı ${ displaystyle A _ { mu}}$:

${ displaystyle { mathcal {D}} _ { mu} = kısmi _ { mu} + igA _ { mu} (x)}$.

Sonra

${ displaystyle ({ mathcal {D}} _ { mu} psi) '= kısmi _ { mu} psi' + igA _ { mu} ' psi' = Omega kısmi _ { mu } psi + ( kısmi Omega) psi + igA _ { mu} ' Omega psi}$

Dönem ${ displaystyle kısmi _ { mu} Omega}$ bağlantı alanı dönüşümlerini gerektirerek tam olarak iptal edilir.

${ displaystyle A _ { mu} '(x) = A _ { mu} (x) + {i fazla g} [ kısmi _ { mu} Omega (x)] Omega ^ {- 1} ( x) quad Eq1.}$.

O zaman buna sahibiz

${ displaystyle ({ mathcal {D}} _ { mu} psi) '= Omega { mathcal {D}} _ { mu} psi}$.

Bunu not et ${ displaystyle Eq1}$ eşdeğerdir

${ displaystyle A _ { mu} '(x) = A _ { mu} (x) + {1 fazla g} kısmi _ { mu} theta (x)}$

Maxwell teorisinin gösterge potansiyelinin bir ayar dönüşümü ile aynı görünüyor. Bağlantı alanının kendisi için değişmez bir eylem oluşturmak mümkündür. Yalnızca iki türevi olan bir eylem istiyoruz (çünkü daha yüksek türevlere sahip eylemler üniter değildir). Miktarı tanımlayın:

${ displaystyle F _ { mu nu} = {- i üzeri g} [{ mathcal {D}} _ { mu}, { mathcal {D}} _ { mu}] = {- i g} [ kısmi _ { mu} + igA _ { mu} (x), kısmi _ { nu} + igA _ { nu} (x)]} üzerinden$

${ displaystyle = {- i fazla g} { Büyük (} [ kısmi _ { mu}, kısmi _ { nu}] + ig ( kısmi _ { mu} A _ { nu} - kısmi _ { nu} A _ { mu}) - g ^ {2} [A _ { mu}, A _ { nu}] { Büyük)}}$

${ displaystyle = kısmi _ { mu} A _ { nu} - kısmi _ { nu} A _ { nu}}$.

Yalnızca iki türevi olan benzersiz eylem şu şekilde verilir:

${ displaystyle S = - { frac {1} {2}} int d ^ {4} x { Büyük (} F _ { mu nu} F ^ { mu nu} { Büyük)}}$.

Bu nedenle, yalnızca simetriye dayanan argümanlardan elektromanyetik teori türetilebilir.

Bağlantı ve Yang-Mills ayar teorisi

Şimdi yukarıdaki mantığı genel ölçüm gruplarına genelleştiriyoruz. Biri bazılarının jeneratörleriyle başlar Lie cebiri:

${ displaystyle [T_ {i}, T_ {j}] = eğer ^ {ijk} T ^ {k}}$

Şöyle dönüşen bir fermiyon alanı olsun

${ displaystyle mathbf { Psi} ' mapsto { hat { Omega}} (x) mathbf { Psi} (x) = exp (i theta ^ {i} (x) T ^ {i }) mathbf { Psi} (x)}$

Yine türevleri ${ displaystyle mathbf { Psi} (x)}$ bu dönüşüm altında eşdeğişken değildir. Bir kovaryant türev sunuyoruz

${ displaystyle mathbf { mathcal {D}} _ { mu} = mathbf {I} kısmi _ { mu} + ig mathbf {A} _ { mu} (x)}$

tarafından verilen bağlantı alanı ile

${ displaystyle mathbf {A} _ { mu} (x) = A _ { mu} ^ {i} (x) T ^ {i}}$

Buna ihtiyacımız var ${ displaystyle mathbf {A} _ { mu} (x)}$ şu şekilde dönüşür:

${ displaystyle mathbf {A} _ { mu} '(x) = { hat { Omega}} mathbf {A} _ { mu} (x) { hat { Omega}} ^ {- 1} + {i over g} { hat { Omega}} ( kısmi _ { mu} { hat { Omega}} ^ {- 1})}$.

Alan gücü operatörünü tanımlıyoruz

${ displaystyle mathbf {F} _ { mu nu} = - {i over g} [ mathbf { mathcal {D}} _ { mu}, mathbf { mathcal {D}} _ { nu}] = kısmi _ { mu} mathbf {A} _ { nu} - kısmi _ { nu} mathbf {A} _ { mu} + ig [ mathbf {A} _ { mu}, mathbf {A} _ { nu}] = ( kısmi _ { mu} A _ { nu} ^ {i} - kısmi _ { nu} A _ { mu} ^ {i} + gf ^ {ijk} A _ { mu} ^ {j} A _ { nu} ^ {k}) T ^ {i}}$.

Gibi ${ displaystyle mathbf { mathcal {D}} _ { mu}}$ kovaryant, bu şu anlama gelir: ${ displaystyle F _ { mu nu} ^ {i}}$ tensör aynı zamanda kovaryanttır:

${ displaystyle mathbf {F} _ { mu nu} mapsto mathbf {F} _ { mu nu} '= { hat { Omega}} mathbf {F} _ { mu nu } { hat { Omega}} ^ {- 1}}$

Bunu not et ${ displaystyle mathbf {F} _ { mu nu}}$ sadece ölçü dönüşümleri altında değişmez ise ${ displaystyle { hat { Omega}}}$ bir skalerdir, yani sadece elektromanyetizma durumunda.

Artık bu tensörden değişmez bir eylem oluşturabiliriz. Yine sadece iki türevi olan bir eylem istiyoruz. En basit seçim, komütatörün izidir:

${ displaystyle operatorname {Tr} ({ hat { Omega}} mathbf {F} _ { mu nu} { hat { Omega}} ^ {- 1} { hat { Omega}} mathbf {F} ^ { mu nu} { hat { Omega}} ^ {- 1}) = operatöradı {Tr} ( mathbf {F} _ { mu nu} mathbf {F} ^ { mu nu})}$

Yalnızca iki türevi olan benzersiz eylem şu şekilde verilir:

${ displaystyle S = - {1 2'den fazla} int d ^ {4} xTr ( mathbf {F} _ { mu nu} mathbf {F} ^ { mu nu}) = - {1 over 2} int d ^ {4} x operatöradı {Tr} { Büyük (} F _ { mu nu} ^ {i} T ^ {j} F_ {j} ^ { mu nu} T ^ {j} { Büyük)}}$

Yang-mill teorisinin eylemi budur.

Maxwell teorisinin döngü gösterimi

Kuantum Maxwell ayar teorisinde bir temsil değişikliğini ele alıyoruz. Fikir, döngülerle etiketlenmiş bir durum temeli sunmaktır. ${ displaystyle mid gamma rangle}$ bağlantı durumları ile iç çarpımı tarafından verilen

${ displaystyle langle A orta gama rangle = W ( gamma) = exp sol [yani int _ { gama} dy ^ { alfa} A _ { alfa} (y) sağ]}$

Döngü işlevsel ${ displaystyle W ( gamma)}$ değişmeli için Wilson döngüsü ${ displaystyle U (1)}$ durum.

Yang-Mills teorisinin döngü gösterimi

Basitliği düşünüyoruz (çünkü daha sonra bunun LQG'deki ilgili gösterge grubu olduğunu göreceğiz) ${ displaystyle SU (2)}$ Yang-Mills teorisi dört boyutta. Sürekli teorinin alan değişkeni bir ${ displaystyle SU (2)}$ bağlantı (veya ölçme potansiyeli) ${ displaystyle A _ { mu} ^ {i} (x)}$, nerede ${ displaystyle i}$ içindeki bir dizindir Lie cebiri nın-nin ${ displaystyle SU (2)}$. Bu alan için yazabiliriz

${ displaystyle mathbf {A} _ { mu} (x) = A _ { mu} ^ {i} (x) tau _ {i}}$

nerede ${ displaystyle tau _ {i}}$ bunlar ${ displaystyle su (2)}$ jeneratörler, yani Pauli matrisleri çarpılır ${ displaystyle i / 2}$. Maxwell teorisinden farklı olarak, bağlantıların ${ displaystyle mathbf {A} _ { mu} (x)}$ matris değerlidir ve değişmez, yani bunlar Abelyen olmayan ayar teorileridir. Kutsallığın karşılık gelen versiyonunu tanımlarken bunu dikkate almalıyız. ${ displaystyle SU (2)}$ Yang-Mills teorisi.

İlk olarak kuantum teorisini bağlantı değişkeni açısından tanımlıyoruz.

Bağlantı gösterimi

Bağlantı gösteriminde konfigürasyon değişkeni şu şekildedir: ${ displaystyle A_ {a} ^ {i}}$ ve eşlenik momentumu (yoğunlaştırılmış) üçlüdür ${ displaystyle { tilde {E}} _ {i} ^ {a}}$. Dalga fonksiyonlarını dikkate almak çok doğaldır ${ displaystyle Psi (A_ {a} ^ {i})}$. Bu, bağlantı temsili olarak bilinir. Kanonik değişkenler, kuantum operatörlerine yükseltilir:

${ displaystyle { hat {A}} _ {a} ^ {i} Psi [A] = A_ {a} ^ {i} Psi [A]}$

(pozisyon gösterimine benzer ${ displaystyle { şapka {q}} psi (q) = q psi (q)}$) ve triadlar fonksiyonel türevlerdir,

${ displaystyle { hat { tilde {E}}} _ {a} ^ {i} Psi [A] = - i { delta Psi [A] delta A_ üzerinden {a} ^ {i} }}$

(benzer ${ displaystyle { şapka {p}} psi (q) = - i {d psi (q) dq üzerinden}}$)

Holonomi ve Wilson döngüsü

Klasik Yang – Mills teorisine dönelim. Teorinin ayar değişmez bilgisini döngü benzeri değişkenler cinsinden kodlamak mümkündür.

A kavramına ihtiyacımız var kutsal. Bir holonomi, bir spinor veya vektörün başlangıç ​​ve son değerlerinin ne kadar farklı olduğunun bir ölçüsüdür. paralel taşıma kapalı bir döngü etrafında; gösterilir

${ displaystyle h _ { gamma} [A]}$

Holonomi bilgisi, eşdeğerliği ölçmek için bağlantı bilgisine eşdeğerdir. Holonomiler ayrıca bir kenar ile ilişkilendirilebilir; Gauss Yasasına göre bunlar şu şekilde dönüşür:

${ displaystyle (h '_ {e}) _ { alpha beta} = U _ { alpha gamma} ^ {- 1} (x) (h_ {e}) _ { gamma sigma} U _ { sigma beta} (y).}$

Kapalı bir döngü için ${ displaystyle x = y}$ Bunun izini sürersek, yani ${ displaystyle alpha = beta}$ ve topladığımız

${ displaystyle (h '_ {e}) _ { alpha alpha} = U _ { alpha gamma} ^ {- 1} (x) (h_ {e}) _ { gamma sigma} U _ { sigma alpha} (x) = [U _ { sigma alpha} (x) U _ { alpha gamma} ^ {- 1} (x)] (h_ {e}) _ { gamma sigma} = delta _ { sigma gamma} (h_ {e}) _ { gamma sigma} = (h_ {e}) _ { gamma gamma}}$

veya

${ displaystyle operatorname {Tr} h '_ { gamma} = operatorname {Tr} h _ { gamma}.}$

Bu nedenle, kapalı bir döngü etrafındaki bir holonominin izi, ölçü değişmezidir. Gösterilir

${ displaystyle W _ { gamma} [A]}$

ve Wilson döngüsü olarak adlandırılır. Holonominin açık biçimi

${ displaystyle h _ { gamma} [A] = { mathcal {P}} exp { Big {} - int _ { gamma _ {0}} ^ { gamma _ {1}} , ds { nokta { gamma}} ^ {a} A_ {a} ^ {i} ( gama (lar)) T_ {i} { Büyük }}}$

nerede ${ displaystyle gamma}$ holonominin değerlendirildiği eğridir ve ${ displaystyle s}$ eğri boyunca bir parametredir, ${ displaystyle { mathcal {P}}}$ daha küçük değerler için yol sıralaması anlam faktörlerini belirtir ${ displaystyle s}$ solda görünür ve ${ displaystyle T_ {i}}$ tatmin eden matrislerdir ${ displaystyle su (2)}$ cebir

${ displaystyle [T ^ {i}, T ^ {j}] = 2i epsilon ^ {ijk} T ^ {k}. ,}$

Pauli matrisleri yukarıdaki ilişkiyi tatmin edin. Bu ilişkileri karşılayan sonsuz sayıda daha fazla matris kümesi örneği olduğu ortaya çıktı. ${ displaystyle (N + 1) times (N + 1)}$ matrisler ${ displaystyle N = 1,2,3, noktalar}$ve bunların hiçbirinin iki veya daha fazla alt boyut örneğine `` ayrıştırılmadığı '' düşünülemez. Farklı denir indirgenemez temsiller of ${ displaystyle su (2)}$ cebir. En temel temsil Pauli matrisleridir. Kutsallık yarım tamsayı ile etiketlenir ${ displaystyle N / 2}$ kullanılan indirgenemez gösterime göre.

Giles'ın Wilson döngülerinden ayar potansiyellerinin yeniden yapılandırma teoremi

Yang-Mills ölçüm teorileriyle ilgili önemli bir teorem, Giles teoremidir; buna göre, bir manifold üzerindeki tüm olası döngüler için bir bağlantının holonomisinin izini verirse, ilke olarak, bağlantının tüm ayar değişmez bilgilerini yeniden yapılandırabilir. .^[2] Yani Wilson döngüleri, bağlantının ölçü değişmez fonksiyonlarının temelini oluşturur. Bu temel sonuç, gösterge teorileri ve yerçekimi için döngü temsilinin temelidir.

Döngü dönüşümü ve döngü gösterimi

Kullanımı Wilson döngüleri Gauss ölçer kısıtlamasını açıkça çözer. Wilson döngüleri bir temel oluşturduğundan, herhangi bir Gauss ayar değişmez fonksiyonunu aşağıdaki gibi resmi olarak genişletebiliriz:

${ displaystyle Psi [A] = sum _ { gamma} Psi [ gamma] W _ { gamma} [A]}$.

Buna döngü dönüşümü denir. Analojiyi şuraya gitmekle görebiliriz: momentum gösterimi kuantum mekaniğinde. Devletlerin bir temeli vardır ${ displaystyle exp (ikx)}$ bir numara ile etiketlenmiş ${ displaystyle k}$ ve biri genişler

${ displaystyle psi [x] = int dk psi (k) exp (ikx).}$

ve genişlemenin katsayılarıyla çalışır ${ displaystyle psi (k)}$.

Ters döngü dönüşümü şu şekilde tanımlanır:

${ displaystyle Psi [ gamma] = int [dA] Psi [A] W _ { gamma} [A].}$

Bu, döngü temsilini tanımlar. Bir operatör verildiğinde ${ displaystyle { şapka {O}}}$ bağlantı temsilinde,

${ displaystyle Phi [A] = { hat {O}} Psi [A], qquad { text {Eq 1}}}$

karşılık gelen operatörü tanımlamalıdır ${ displaystyle { şapka {O}} '}$ açık ${ displaystyle Psi [ gamma]}$ aracılığıyla döngü gösteriminde,

${ displaystyle Phi [ gamma] = { hat {O}} ' Psi [ gamma], qquad { text {Eq 2}}}$

nerede ${ displaystyle Phi [ gama]}$ olağan ters döngü dönüşümü ile tanımlanır,

${ displaystyle Phi [ gamma] = int [dA] Phi [A] W _ { gamma} [A]. qquad { text {Eq 3}}}$

Operatörün eylemini veren bir dönüşüm formülü ${ displaystyle { şapka {O}} '}$ açık ${ displaystyle Psi [ gamma]}$ operatörün eylemi açısından ${ displaystyle { şapka {O}}}$ açık ${ displaystyle Psi [A]}$ daha sonra R.H.S.'yi eşitleyerek elde edilir. nın-nin ${ displaystyle Eq ; 2}$ R.H.S. ile nın-nin ${ displaystyle Eq ; 3}$ ile ${ displaystyle Eq ; 1}$ yerine ${ displaystyle Eq ; 3}$, yani

${ displaystyle { hat {O}} ' Psi [ gamma] = int [dA] W _ { gamma} [A] { hat {O}} Psi [A],}$

veya

${ displaystyle { hat {O}} ' Psi [ gamma] = int [dA] ({ hat {O}} ^ { hançer} W _ { gamma} [A]) Psi [A] ,}$

vasıtasıyla ${ displaystyle { şapka {O}} ^ { hançer}}$ operatörü kastediyoruz ${ displaystyle { şapka {O}}}$ ancak ters faktör sıralamasıyla (operatörlerin çarpımının eşlenik altında ters çevrildiği basit kuantum mekaniğini hatırlayın). Bu operatörün Wilson döngüsü üzerindeki eylemini bağlantı gösteriminde bir hesaplama olarak değerlendiriyoruz ve sonucu tamamen döngüler açısından bir manipülasyon olarak yeniden düzenliyoruz (Wilson döngüsündeki eylemi değerlendirirken kişinin istediği operatörü seçmesi gerektiği unutulmamalıdır. dalga fonksiyonları üzerindeki eylemi için seçilene zıt faktör sıralaması ile dönüştürmek ${ displaystyle Psi [A]}$).

Kuantum yerçekiminin döngü gösterimi

Kanonik kuantum yerçekiminin Ashtekar-Barbero değişkenleri

Tanımı Ashtekar değişkenleri genel göreliliği ölçü teorileriyle aynı dilde kullanır. Rovelli ve Smolin'in yeni bir temsili, döngü temsili düşünmesine neden olan, özellikle Gauss yasasına ve uzamsal diffeomorfizm kısıtlamalarına yönelik çözümler alanı üzerinde iyi bir kontrole sahip olamama idi.^[3]

Uzamsal diffeomorfizm kısıtlamasının üstesinden gelmek için döngü temsiline gitmemiz gerekir. Yukarıdaki mantık, operatörün fiziksel anlamını verir. ${ displaystyle { şapka {O}} '}$. Örneğin, eğer ${ displaystyle { şapka {O}} ^ { hançer}}$ uzaysal bir diffeomorfizme karşılık gelirse, bu bağlantı alanını korumak olarak düşünülebilir. ${ displaystyle A}$ nın-nin ${ displaystyle W _ { gamma} [A]}$ üzerinde uzamsal bir diffeomorfizm gerçekleştirirken olduğu yerde ${ displaystyle gamma}$ yerine. Bu nedenle, anlamı ${ displaystyle { hat {O}} '}$ mekansal bir diffeomorfizmdir ${ displaystyle gamma}$argüman ${ displaystyle Psi [ gamma]}$.

Döngü gösteriminde, daha sonra döngülerin fonksiyonlarını dikkate alarak uzamsal diffeomorfizm kısıtlamasını çözebiliriz ${ displaystyle Psi [ gamma]}$ döngünün uzamsal diffeomorfizmleri altında değişmeyen ${ displaystyle gamma}$. Yani, matematikçilerin dediği şeyi inşa ediyoruz düğüm değişmezleri. Bu, arasında beklenmedik bir bağlantı açtı düğüm teorisi ve kuantum yerçekimi.

Geometrik kuantum operatörlerinin döngü gösterimi ve özfonksiyonları

En kolay geometrik miktar alandır. Koordinatları seçelim, böylece yüzey ${ displaystyle Sigma}$ ile karakterizedir ${ displaystyle x ^ {3} = 0}$. Yüzeyin küçük paralelkenar alanı ${ displaystyle Sigma}$ her iki tarafın uzunluğunun çarpımıdır ${ displaystyle sin theta}$ nerede ${ displaystyle theta}$ iki taraf arasındaki açıdır. Bir kenarın vektör tarafından verildiğini varsayalım ${ displaystyle { vec {u}}}$ ve diğeri ${ displaystyle { vec {v}}}$ sonra,

${ displaystyle { başla {hizalı} A & = | { vec {u}} | | { vec {v}} | sin theta = { sqrt { | { vec {u} } | ^ {2} | { vec {v}} | ^ {2} (1- cos ^ {2} theta)}} [6pt] & = { sqrt { | { vec {u}} | ^ {2} | { vec {v}} | ^ {2} - ({ vec {u}} cdot { vec {v}}) ^ {2} }} end {hizalı}}}$

Bundan yüzey alanını alıyoruz ${ displaystyle Sigma}$ tarafından verilecek

${ displaystyle A _ { Sigma} = int _ { Sigma} , dx ^ {1} , dx ^ {2} { sqrt { det ; q ^ {(2)}}}}$

nerede ${ displaystyle det q ^ {(2)} = q_ {11} q_ {22} -q_ {12} ^ {2}}$ ve indüklenen metriğin belirleyicisidir ${ displaystyle Sigma}$. Bu şu şekilde yeniden yazılabilir:

${ displaystyle det ; q ^ {(2)} = { epsilon ^ {3ab} epsilon ^ {3cd} q_ {ac} q_ {bc} 2}.}$

Ters matris için standart formül

${ displaystyle q ^ {ab} = { epsilon ^ {bcd} epsilon ^ {aef} q_ {ce} q_ {df} 2'den fazla! det (q)}}$

Bu ve ifadesi arasındaki benzerliğe dikkat edin ${ displaystyle det q ^ {(2)}}$. Ancak Ashtekar değişkenlerinde ${ displaystyle { tilde {E}} _ {i} ^ {a} { tilde {E}} ^ {bi} = det (q) q ^ {ab}}$. Bu nedenle,

${ displaystyle A _ { Sigma} = int _ { Sigma} , dx ^ {1} , dx ^ {2} { sqrt {{ tilde {E}} _ {i} ^ {3} { tilde {E}} ^ {3i}}}.}$

Kanonik nicemleme kurallarına göre, üçlüleri desteklemeliyiz ${ displaystyle { tilde {E}} _ {i} ^ {3}}$ kuantum operatörlerine,

${ displaystyle { hat { tilde {E}}} _ {i} ^ {3} sim { delta over delta A_ {3} ^ {i}}.}$

Görünüşe göre alan ${ displaystyle A _ { Sigma}}$ iki fonksiyonel türevin ürünü ile uğraşmamıza ve daha da kötüsü, mücadele etmemiz gereken bir karekökümüz olmasına rağmen, iyi tanımlanmış bir kuantum operatörüne terfi edilebilir.^[4] Putting ${ displaystyle N = 2J}$içinde olmaktan bahsediyoruz J-th temsil. Bunu not ediyoruz ${ displaystyle toplamı _ {i} T ^ {i} T ^ {i} = J (J + 1) 1}$. Bu miktar, alan spektrumunun son formülünde önemlidir. Aşağıdaki sonucu basitçe belirtiyoruz,

${ displaystyle { hat {A}} _ { Sigma} W _ { gamma} [A] = 8 pi ell _ {Planck} ^ {2} beta sum _ {I} { sqrt {j_ {I} (j_ {I} +1)}} W _ { gamma} [A]}$

toplamın tüm kenarlarda olduğu yerde ${ displaystyle I}$ yüzeyi delen Wilson döngüsünün ${ displaystyle Sigma}$.

Bir bölgenin hacmi için formül ${ displaystyle R}$ tarafından verilir

${ displaystyle V = int _ {R} d ^ {3} x { sqrt { det (q)}} = {1 6'dan fazla} int _ {R} dx ^ {3} { sqrt { epsilon _ {abc} epsilon ^ {ijk} { tilde {E}} _ {i} ^ {a} { tilde {E}} _ {j} ^ {b} { tilde {E}} _ {k} ^ {c}}}.}$

Hacmin nicelenmesi alanla aynı şekilde ilerler. Türevi alırken ve bunu her yaptığımızda teğet vektörü indiririz ${ displaystyle { dot { gamma}} ^ {a}}$, hacim operatörü kesişmeyen Wilson döngüleri üzerinde hareket ettiğinde sonuç kaybolur. Sıfır olmayan hacme sahip kuantum durumları, bu nedenle, kesişimleri içermelidir. Anti-simetrik toplamın hacim formülünde devralındığı göz önüne alındığında, en azından üç non-aynı düzlemde çizgiler. Gerçekte, hacim operatörünün yok olmaması için birinin en az dört değerli köşeye ihtiyaç duyduğu ortaya çıktı.

Mandelstam kimlikleri: su (2) Yang – Mills

Şimdi Wilson döngülerini kesişimlerle ele alıyoruz. Gösterge grubunun olduğu gerçek gösterimi varsayıyoruz ${ displaystyle SU (2)}$. Wilson döngüleri, farklı Wilson döngülerini ilişkilendiren kimlikler olduğundan fazlasıyla eksiksiz bir temel oluşturur. Bunlar, Wilson döngülerinin matrislere (holonomi) dayalı olmasından ve bu matrislerin Mandelstam kimlikleri denilen kimlikleri karşılamasından kaynaklanmaktadır (bkz. Mandelstam değişkenleri ). Herhangi ikisi verildiğinde ${ displaystyle SU (2)}$ matrisler ${ displaystyle mathbb {A}}$ ve ${ displaystyle mathbb {B}}$ bunu kontrol etmek kolaydır,

${ displaystyle operatorname {Tr} ( mathbb {A}) operatorname {Tr} ( mathbb {B}) = operatorname {Tr} ( mathbb {A} mathbb {B}) + operatorname {Tr } ( mathbb {A} mathbb {B} ^ {- 1}).}$

Bu, iki döngü verildiği anlamına gelir ${ displaystyle gamma}$ ve ${ displaystyle eta}$ kesişen, sahip olacağız

${ displaystyle W _ { gamma} [A] W _ { eta} [A] = W _ { gamma circ eta} [A] + W _ { gamma circ eta ^ {- 1}} [A] }$

vasıtasıyla ${ displaystyle eta ^ {- 1}}$ döngüden bahsediyoruz ${ displaystyle eta}$ zıt yönde geçti ve ${ displaystyle gamma circ eta}$ döngünün etrafından dolaşarak elde edilen döngü anlamına gelir ${ displaystyle gamma}$ ve sonra ${ displaystyle eta}$. Aşağıdaki şekle bakın. Buna ikinci türden bir Mandelstam kimliği denir. Birinci türün Mandelstam kimliği var ${ displaystyle W ( gamma _ {1} circ gamma _ {2}) = W ( gamma _ {2} circ gamma _ {1})}$. Spin ağları Mandelstam kimlikleri tarafından sunulan aşırı tamlığı ele almak için tasarlanmış kesişen Wilson döngülerinin belirli doğrusal kombinasyonlarıdır.

Farklı konularla ilgili Mandestam kimliğinin grafiksel Wilson döngüleri.

Ağ durumlarını döndür

Aslında spin ağları, döngü temelinin aşırı tamlık derecesini en aza indiren tüm ayar değişmez fonksiyonlar için bir temel oluşturur ve üç değerlikli kesişimler için bunu tamamen ortadan kaldırır.

Yukarıda bahsedildiği gibi, holonomi size test spin yarım parçacıklarının nasıl yayılacağını anlatır. Bir spin ağı durumu, uzayda bir yol izleyen, birleşen ve bölünen bir dizi spin yarım parçacığa bir genlik atar. Bunlar spin ağları tarafından açıklanmaktadır ${ displaystyle gamma}$: Kenarlar, dönüşlerin yeniden yönlendirilmesinin farklı yolları üzerinden nasıl toplanacağının reçetesi olan köşelerde `` iç içe geçmiş '' ile birlikte dönüşlerle etiketlenir. Yeniden yönlendirme üzerinden toplam, Gauss ayar dönüşümleri altında iç içe geçmiş değişmez şeklini yapacak şekilde seçilir.

LQG'de döngü temsilinin benzersizliği

Ashtekar ve diğerleri tarafından tanımlandığı gibi döngü temsilinin benzersizliğini oluşturan teoremler. (yani bir Hilbert uzayının ve doğru döngü cebirini yeniden üreten ilişkili operatörlerin belirli bir somut gerçekleştirimi - herkesin kullandığı farkındalık) iki grup tarafından verilmiştir (Lewandowski, Okolow, Sahlmann ve Thiemann)^[5] ve (Christian Fleischhack).^[6] Bu sonuç belirlenmeden önce, aynı döngü cebirini çağıran operatörlerle Hilbert uzaylarının başka örneklerinin olup olmadığı, şimdiye kadar kullanılanla eşdeğer olmayan diğer gerçekleştirmelerin olup olmadığı bilinmiyordu.

Topolojik alan teorisinde düğüm teorisi ve döngüler

Bir düğümü tanımlamanın yaygın bir yöntemi (veya bağlantı, birbirine dolanmış birkaç bileşenin düğümleri olan), yansıtılan görüntüsünü düğüm diyagramı adı verilen bir düzlemde ele almaktır. Herhangi bir düğüm (veya bağlantı), bir düğüm diyagramı kullanılarak birçok farklı şekilde çizilebilir. Bu nedenle, düğüm teorisindeki temel bir problem, iki tanımın aynı düğümü ne zaman temsil ettiğini belirlemektir. Bir düğüm diyagramı verildiğinde, ona değişmeyen bir düğüm atamanın bir yolunu bulmaya çalışır, bazen bir polinom - düğüm polinomu denir. Aynı prosedürle oluşturulan farklı polinomlara sahip iki düğüm diyagramı, zorunlu olarak farklı düğümlere karşılık gelir. Bununla birlikte, polinomlar aynı ise, aynı düğüme karşılık geldikleri anlamına gelmeyebilir. Bir polinom düğümleri ayırt etmede ne kadar iyi olursa o kadar güçlüdür.

1984'te Jones ^[7] kısa süre sonra şaşırtıcı bir genelleme bolluğuna yol açan yeni bir bağlantı değişmezinin keşfini duyurdu. Yeni bir düğüm polinomu bulmuştu, Jones polinomu. Spesifik olarak, her yönlendirilmiş düğüme atayan veya bir polinomu tamsayı katsayıları ile bağlayan yönlendirilmiş bir düğüm veya bağlantının değişmezidir.

1980'lerin sonlarında, Witten, gözlemlenebilir büyüklüklerin beklenti değerlerinin diffeomorfizmler altında değişmez olduğu belirli bir fiziksel teori türü için topolojik kuantum alan teorisi terimini icat etti.

Witten ^[8] Jones polinomunun sezgisel bir türevini ve genellemelerini verdi Chern-Simons teorisi. Temel fikir şudur: vakum beklentisi değerleri Chern-Simons teorisindeki Wilson döngüleri, teorinin diffeomorfizm-değişmezliği nedeniyle bağlantı değişmezleridir. Bununla birlikte, bu beklenti değerlerini hesaplamak için Witten, Chern-Simons teorisi ile a konformal alan teorisi olarak bilinir Wess – Zumino – Witten modeli (veya WZW modeli).

Referanslar