Forskere demonstrerer begrænsninger for symmetrier fra holografi

Et par forskere, en ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og en anden ved California Institute of Technology (Caltech) og University of Tokyo, har for nylig undersøgt et sæt gamle formodninger om symmetrier i kvantegravitation. De specifikke formodninger om fokus:(1) Quantum gravitation tillader ikke globale symmetrier; (2) For målesymmetri, alle mulige afgifter skal realiseres; (3) Interne målergrupper skal være kompakte. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , viser, at disse gamle antagelser holder sig inden for korrespondancen mod anti-de Sitter/conformal field theory (AdS-CFT).

"Historisk set symmetribegrebet har spillet en vigtig rolle i fysikken, både ved at identificere og formulere grundlæggende naturlove, og ved at bruge disse love til at forstå og forudsige naturfænomener såsom dynamik og faser af sager, "Hirosi Ooguri, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Imidlertid, der har været teoretiske beviser for, at når vi kombinerer tyngdekraften og kvantemekanikken (de to grundlæggende ideer i moderne fysik), alle globale symmetrier er væk. "

I fysikken, symmetrier kan være af to slags:måler og global. I flere årtier har forskere har foreslået ideen om, at globale symmetrier ikke bør være mulige i kvantegravitation, som den forenede tyngdekraftsteori og kvantemekanik ikke ville tillade nogen symmetri. Dette er en dyb påstand med vigtige konsekvenser. For eksempel, den forudsiger, at en proton ikke ville være stabil mod forfald i andre partikler.

"Standardmodellen for partikelfysik har begge slags symmetrier, så vi forudsiger, at de globale kun må være omtrentlige, "Daniel Harlow, den anden forsker, der er involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Indtil nu, denne idé har haft nogen form for støtte, men der var ikke noget overbevisende argument. I vores papir, vi gav, hvad vi synes er et ret overbevisende argument i specialtilfældet AdS/CFT -korrespondance. Denne korrespondance giver vores bedst forståede teorier om kvantegravitation, og vi kunne vise, at det ikke tillader globale symmetrier. "

Før Ooguri og Harlows papir, andre forskere fremførte argumenter, der understøtter påstanden om, at kvantegravitation (forening af kvantemekanik og tyngdekraft) ikke kan have nogen symmetri. Ikke desto mindre, disse argumenter præsenterede ofte logiske huller eller smuthuller, for eksempel ikke at behandle nogle vigtige sager (f.eks. diskret symmetri).

"Vores nye papir giver et grundigt bevis på denne påstand i forbindelse med AdS/CFT -korrespondancen, hvor kvantegravitation er defineret på en matematisk præcis måde, og vi har gjort det på den mest generelle måde, eksklusive alle mulige globale symmetrier fra kvantegravitation, "Sagde Ooguri.

Beviset fremlagt af Ooguri og Harlow er baseret på to vigtige ideer:det holografiske princip om kvantegravitation og kvantefejlkorrigerende koder. Det holografiske princip blev først introduceret af Gerard 't Hooft og Leonard Susskind i begyndelsen af ​​90'erne, men det er siden blevet bredt bygget på. En af dens mest afgørende udvikling var opdagelsen af ​​AdS/CFT -korrespondancen af ​​Juan Maldacena i 1997.

Ooguri og Harlow ønskede at bevise en matematisk sætning om kvantegravitation, så de krævede en præcis definition af det holografiske princip. De besluttede at vedtage AdS/CFT -korrespondancen, da det var den eneste måde, de følte, at de kunne nå deres mål.

"Vores grundlæggende værktøjer er korrektion af kvantefejl, AdS/CFT -korrespondancen, og kvantefeltteori, "Harlow sagde." Sandsynligvis er det vigtigste punkt at formidle her, at selvom AdS/CFT er en smuk teori om kvantegravitation, det er ikke teorien om kvantegravitation i vores verden. Det er en legetøjsmodel af den type, som fysikere kan lide at studere (såsom den berømte sfæriske ko). Vi tror, imidlertid, at lektioner, vi lærer i denne legetøjsmodel, bør overføres til vores verden, forudsat at vi er forsigtige. "

Et par år siden, en anden forskningsgruppe, der også omfattede Harlow, viste, at holografi virker i kvantegravitation på samme måde som hvordan kvantefejlkorrektion fungerer i kvanteberegning. I AdS/CFT -korrespondancen rumtiden geometri i anti-de Sitter Space stammer fra kvanteindvikling i den konforme feltteori. Harlow og hans kolleger viste, at de nye geometriske data er, faktisk, kvantefejlkorrigeringskoder, ud fra et CFT -synspunkt.

Indsigten fra denne tidligere forskning var afgørende for at bevise sætningen i forskernes nylige undersøgelse. I deres nye undersøgelse, Ooguri og Harlow fandt ud af, at den måde, hvorpå kvantefejlkorrektion fungerer, ikke er forenelig med nogen symmetri. Dermed, når kvantemekanik og tyngdekraft er slået sammen, ingen symmetri er nøjagtig.

"Det er generelt blevet antaget, at symmetri er et grundlæggende begreb i naturen, "Sagde Ooguri." Mange fysikere mener, at der skal være et smukt sæt love i naturen, og at en måde at kvantificere skønhed er ved symmetri. Noget af symmetrien kan være skjult i vores verden (eller 'spontant brudt, "i fysik), men de kan vise sig, hvis vi ser på naturen på et mere grundlæggende niveau. Vi viste, at den tro, der er udtrykt i ovenstående, er forkert. Naturlovene på det mest fundamentale niveau, hvor kvantemekanik og tyngdekraft er forenet, har ingen global symmetri. "

Undersøgelsen udført af Ooguri og Harlow bringer nøgleindsigt i fysikområdet, udelukke muligheden for globale symmetrier i en bred klasse af kvantegravitationsteorier. Deres fund har konsekvenser for mange undersøgelsesområder, for eksempel at forudsige ustabilitet af protoner.

"Vores fund forudsiger, at protonen ikke bør være stabil, "Harlow sagde." Det er ikke indlysende, men det forudsiger også eksistensen af ​​magnetiske monopoler:isolerede objekter, der bærer magnetisk ladning. Indtil nu, vi har aldrig set et sådant objekt, men folk leder stadig efter dem. Desværre, vores resultater er ikke stærke nok til at sige, hvor mange monopoler der skal eksistere, hvor de skal være, eller hvor lang tid vi skal vente på at se en proton henfalde. "

I deres fremtidige arbejde, Harlow og Ooguri vil gerne kvantificere, hvordan symmetri brydes. Indtil nu, de har blot bevist, at kvantegravitation ikke kan have nogen symmetri uden at præcisere, hvordan den skilles ad. For eksempel, deres fund tyder på, at protonen skal henfalde, alligevel afklarer de ikke, hvordan det henfalder, eller hvor længe det kan leve, før det gør det. Det er meget vigtige spørgsmål, som forskerne håber at tage fat på i deres fremtidige forskning.

"Kavli -instituttet for universets fysik og matematik ved University of Tokyo, hvoraf jeg er direktør, er involveret i Hyper-Kamiokande-projektet, der skal bygges i Kamioka-zinkminen i det centrale bjergområde i Japan, "Tilføjede Ooguri." Et af målene med projektet er at se, om protonen henfalder, og for at gøre dette vil eksperimenterne bygge en stor vandtank i minen. Ifølge vores sætning, protonerne skal forfalde. Men, vi kan ikke fortælle eksperimenter, hvor store vandtankene skal være, for at de kan se protonerne henfalde inden for en rimelig periode. Dette er et eksempel på, hvorfor kvantificering af, hvordan symmetri brydes, ville være afgørende. Daniel og jeg har en ide om, hvordan vi kan kvantificere den måde, symmetri brydes, og vi fortsætter nu vores undersøgelse i denne retning. "

© 2019 Science X Network