Chern–Simons theory
![]() | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( сентябрь 2018 г. ) |
Теория Черна-Саймонса — это трёхмерная топологическая квантовая теория поля типа Шварца, разработанная Эдвардом Виттеном . Впервые его открыл физик-математик Альберт Шварц . Она названа в честь математиков Шиинг-Шен Черна и Джеймса Харриса Саймонса , которые ввели 3-форму Черна-Саймонса . В теории Черна–Саймонса действие пропорционально интегралу от 3-формы Черна–Саймонса.
В физике конденсированного состояния теория Черна – Саймонса описывает топологический порядок в состояниях дробного квантового эффекта Холла . В математике он использовался для расчета инвариантов узлов и инвариантов трехмерных многообразий , таких как полином Джонса . [1]
В частности, теория Черна – Саймонса определяется 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 когда теории четко определена, уровень является целым числом и напряженность калибровочного поля равна нулю на всех границах трехмерного пространства-времени.
Это также центральный математический объект в теоретических моделях топологических квантовых компьютеров (TQC). В частности, теория Черна – Саймонса SU (2) описывает простейшую неабелеву анонную модель TQC, модель Янга – Ли – Фибоначчи. [2] [3]
Динамика теории Черна-Саймонса на двумерной границе трехмерного многообразия тесно связана с правилами слияния и конформными блоками в конформной теории поля и, в частности, теории WZW . [1] [4]
Классическая теория [ править ]
Математическое происхождение [ править ]
В 1940-х годах С. С. Черн и А. Вейль изучали свойства глобальной кривизны гладких многообразий М как когомологий 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 ) в когомологии . Если инвариантный полином однороден, то можно конкретно записать любую k -форму замкнутой связности ω как некоторую 2 k -форму ассоциированной формы кривизны Ω связности ω .
В 1974 году С.С. Черн и Дж.Х. Саймонс конкретно построили (2 k − 1)-форму df ( ω ) такую, что
где T — гомоморфизм Черна–Вейля. Эта форма называется формой Черна–Саймонса . Если df ( ω ) замкнуто, можно проинтегрировать приведенную выше формулу
где C — (2 k − 1)-мерный цикл на M . Этот инвариант называется инвариантом Черна–Саймонса . Как отмечалось во введении к статье Черна–Саймонса, инвариант Черна–Саймонса CS( M ) является граничным членом, который не может быть определен какой-либо чистой комбинаторной формулировкой. Его также можно определить как
где — первое число Понтрягина, а ( M ) — сечение нормального ортогонального расслоения P. s Более того, термин 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 интеграл Лагранжа формы Черна – Саймонса и петли Вильсона, голономии векторного расслоения на M . Это объясняет, почему теория Черна-Саймонса тесно связана с топологической теорией поля .
Конфигурации [ править ]
Теории Черна–Саймонса можно определить на любом топологическом 3-многообразии M с краем или без него. Поскольку эти теории являются топологическими теориями типа Шварца, нет метрику необходимости вводить 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 расслоения характеризуется одноформой связности A имеющей значение в алгебре Ли g группы Ли G . В общем, связь A определяется только на отдельных участках координат , а значения A на разных участках связаны картами, известными как калибровочные преобразования . Они характеризуются утверждением, что ковариантная производная , представляющая собой сумму внешней производной оператора d и связности A , преобразуется в присоединенное представление калибровочной G. группы Квадрат ковариантной производной с самой собой можно интерпретировать как g -значную 2-форму F, называемую формой кривизны или напряженностью поля . Он также преобразуется в присоединенном представлении.
Динамика [ править ]
Действие S теории Черна– Саймонса пропорционально интегралу от 3-формы Черна–Саймонса
Константа k называется уровнем теории. Классическая физика теории Черна–Саймонса не зависит от выбора уровня k .
Классически система характеризуется уравнениями движения, которые являются экстремумами действия по отношению к вариациям А. поля По кривизне поля
уравнение поля явно
Таким образом, классические уравнения движения удовлетворяются тогда и только тогда, когда кривизна повсюду обращается в нуль, и в этом случае связь называется плоской . Таким образом, классическими решениями G -теории Черна–Саймонса являются плоские связности главных G -расслоений на M . Плоские связности целиком определяются голономиями вокруг нестягиваемых циклов по M. базе во взаимно однозначном соответствии с классами эквивалентности гомоморфизмов фундаментальной группы M G в калибровочную группу Точнее, они находятся с точностью до сопряжения.
Если M имеет границу N то имеются дополнительные данные, описывающие выбор тривиализации главного G- расслоения на N. , отображение из N в G. Такой выбор характеризует Динамика этого отображения описывается моделью Весса-Зумино-Виттена (WZW) на N на уровне k .
Квантование [ править ]
Чтобы канонически квантовать теорию Черна – Саймонса, на каждой двумерной поверхности Σ в M определяется состояние. Как и в любой квантовой теории поля, состояния соответствуют 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 станет многообразием с краем, и, в частности, классически динамика Σ будет описываться моделью WZW. Виттен показал, что это соответствие имеет место даже в квантовой механике. 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. Характеристики конформных блоков высших родов не нужны для решения Виттеном теории Черна – Саймонса.
Наблюдаемые [ править ]
Петли Вильсона [ править ]
Наблюдаемые теории Черна – Саймонса представляют собой n -точечные корреляционные функции калибровочно-инвариантных операторов. Наиболее часто изучаемым классом калибровочно-инвариантных операторов являются петли Вильсона . Петля Вильсона — это голономия вокруг петли в M в заданном представлении R группы G. , прослеживаемая Поскольку нас будут интересовать произведения петель Вильсона, без ограничения общности мы можем ограничить внимание неприводимыми представлениями R .
Более конкретно, учитывая неприводимое представление R и петлю K в M , можно определить петлю Вильсона к
где A — 1-форма связности, и мы берем главное значение Коши контурного интеграла и – это экспонента, упорядоченная по пути .
и ХОМФЛИ Джонса Полиномы
Рассмотрим ссылку L в M , которая представляет собой набор ℓ непересекающихся петель. Особенно интересной наблюдаемой является ℓ сформированная из произведения петель Вильсона вокруг каждой непересекающейся петли, каждая из которых прослеживается в фундаментальном представлении G -точечная корреляционная функция , . Можно сформировать нормализованную корреляционную функцию, разделив эту наблюдаемую на статистическую сумму Z ( M ), которая представляет собой всего лишь 0-точечную корреляционную функцию.
В особом случае, когда M является 3-сферой, Виттен показал, что эти нормированные корреляционные функции пропорциональны известным полиномам узлов . Например, в G = U ( N теории Черна–Саймонса ) на уровне k нормированная корреляционная функция с точностью до фазы равна
умножить на полином ХОМФЛИ . В частности, когда N = 2, полином ХОМФЛИ сводится к полиному Джонса . В случае SO( N ) аналогичное выражение можно найти с полиномом Кауфмана .
Фазовая неоднозначность отражает тот факт, что, как показал Виттен, квантовые корреляционные функции не полностью определяются классическими данными. Число зацепления петли с самой собой входит в расчет статистической суммы, но это число не инвариантно при малых деформациях и, в частности, не является топологическим инвариантом. Это число можно сделать четко определенным, если выбрать каркас для каждого цикла, который представляет собой выбор предпочтительного ненулевого вектора нормали в каждой точке, вдоль которого можно деформировать цикл для вычисления его числа самосвязывания. Эта процедура является примером разделения точек, процедуры регуляризации введенной Полем Дираком и Рудольфом Пайерлсом для определения явно расходящихся величин в квантовой теории поля в 1934 году.
Сэр Майкл Атья показал, что существует канонический выбор двухкадрового режима. [5] который сегодня обычно используется в литературе и приводит к четко определенному числу связей. В каноническом построении вышеуказанная фаза представляет собой экспоненту, в 2π i /( k + N ) умноженную на число связей L с самим собой.
- Задача (распространение полинома Джонса на общие 3-многообразия)
«Исходный полином 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 настоящего документа. [6] для предыстории и истории этой проблемы. Кауфман представил решение в случае многообразия произведений замкнутой ориентированной поверхности и замкнутого интервала путем введения виртуальных 1-узлов. [7] В остальных случаях он открыт. Интеграл по путям Виттена для полинома Джонса формально записан для связей в любом компактном 3-многообразии, но расчет не проводится даже на физическом уровне ни в каком случае, кроме 3-сферы (3-шара, 3-пространства R 3 ). Эта проблема также открыта на уровне физики. В случае полинома Александера эта проблема решена.
с другими Отношения теориями
струн теории Топологические
В контексте теории струн ( теория Черна–Саймонса U N ) на ориентированном лагранжевом 3-подмногообразии M 6-многообразия X возникает как теория струнного поля открытых струн, заканчивающихся на D-бране , обертывающей X в A -модель топологической теории струн на X . Топологическая теория поля открытых струн B-модели на мировом объеме стопки D5-бран представляет собой шестимерный вариант теории Черна – Саймонса, известный как голоморфная теория Черна – Саймонса.
WZW и матричные модели [ править ]
Теории Черна – Саймонса связаны со многими другими теориями поля. Например, если рассматривать теорию Черна–Саймонса с калибровочной группой G на многообразии с краем, то все трехмерные распространяющиеся степени свободы можно измерить, оставив двумерную конформную теорию поля , известную как G Весса–Саймонса. Модель Зумино–Виттена на границе. Кроме того, теории Черна–Саймонса U ( N ) и SO( N ) при больших N хорошо аппроксимируются матричными моделями .
Chern–Simons gravity theory [ edit ]
В 1982 году С. Дезер , Р. Джекив 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, Джекив и Темплтон (1982) )
В 2003 году Р. Джекив и С. Я. Пи расширили эту теорию до четырех измерений ( Jackiw & Pi (2003) ), и теория гравитации Черна – Саймонса оказала значительное влияние не только на фундаментальную физику, но также на теорию конденсированного состояния и астрономию.
Четырехмерный случай очень похож на трехмерный случай. В трех измерениях гравитационный член Черна – Саймонса равен
Этот вариант дает тензор Коттона
Затем модификация трехмерной гравитации Черна – Саймонса осуществляется путем добавления вышеуказанного тензора Коттона к уравнению поля, которое можно получить как вакуумное решение путем изменения действия Эйнштейна – Гильберта.
материи Черна – Саймонса Теории
В 2013 году Кеннет А. Интрилигатор и Натан Зайберг решили эти трехмерные калибровочные теории Черна – Саймонса и их фазы, используя монополи , несущие дополнительные степени свободы. Индекс Виттена многих обнаруженных вакуумов был вычислен путем компактификации пространства путем включения параметров массы и последующего вычисления индекса. Было вычислено , что в некотором вакууме суперсимметрия нарушается. Эти монополи были связаны с конденсированного вещества вихрями . ( Интрилигатор и Зайберг (2013) )
= N Теория материи Черна–Саймонса с 6 является голографической двойственной М-теорией на .
Четырехмерная теория Саймонса Черна –
В 2013 году Кевин Костелло определил тесно связанную теорию, определенную на четырехмерном многообразии, состоящем из произведения двумерной «топологической плоскости» и двумерной (или одной комплексной размерной) комплексной кривой. [8] Позже он изучил теорию более подробно вместе с Виттеном и Масахито Ямадзаки. [9] [10] [11] демонстрируя, как калибровочная теория может быть связана со многими понятиями теории интегрируемых систем , включая точно решаемые решеточные модели (такие как модель с шестью вершинами или спиновая цепочка XXZ ), интегрируемые квантовые теории поля (такие как модель Гросса – Неве , принципиальная киральная модель и симметричные пространственные смежные сигма-модели ), уравнение Янга–Бакстера и квантовые группы, такие как Янгиан , которые описывают симметрии, лежащие в основе интегрируемости вышеупомянутых систем.
Действие на 4-многообразии где является двумерным многообразием и это сложная кривая
Черна – Саймонса в других теориях Термины
Термин Черна-Саймонса также можно добавить к моделям, которые не являются топологическими квантовыми теориями поля. В 3D это порождает массивный фотон , если этот член добавить к действию теории электродинамики Максвелла . Этот член может быть получен путем интегрирования по массивному заряженному полю Дирака . Это также проявляется, например, в квантовом эффекте Холла . Добавление члена Черна–Саймонса в различные теории приводит к решениям вихревого или солитонного типа. [12] [13] Десяти- и одиннадцатимерные обобщения термов Черна–Саймонса проявляются в действиях всех десяти- и одиннадцатимерных супергравитации теорий .
Однопетлевая перенормировка уровня [ править ]
Если добавить материю в калибровочную теорию Черна – Саймонса, то она, вообще говоря, перестанет быть топологической. Однако если добавить n майорановских фермионов , то из-за аномалии четности они при интегрировании приведут к чистой теории Черна–Саймонса с однопетлевой перенормировкой уровня Черна–Саймонса на − n /2, другими словами, Теория уровня k с n фермионами эквивалентна теории уровня k − n /2 без фермионов.
См. также [ править ]
- Калибровочная теория (математика)
- Chern–Simons form
- Топологическая квантовая теория поля
- полином Александера
- Полином Джонса
- 2+1D топологическая гравитация
- Скирмион
Ссылки [ править ]
- Артур, К .; Чракян, Д.Х.; Ю.-С., Ян (1996). «Топологические и нетопологические самодвойственные солитоны Черна-Саймонса в калиброванной сигма-модели O (3)». Физический обзор D . 54 (8): 5245–5258. Бибкод : 1996PhRvD..54.5245A . дои : 10.1103/PhysRevD.54.5245 . ПМИД 10021215 .
- Черн, С.-С. и Саймонс, Дж. (1974). «Характеристические формы и геометрические инварианты». Анналы математики . 99 (1): 48–69. дои : 10.2307/1971013 . JSTOR 1971013 .
- Дезер, Стэнли; Джекив, Роман; Темплтон, С. (1982). «Трехмерные теории массивных калибров» (PDF) . Письма о физических обзорах . 48 (15): 975–978. Бибкод : 1982PhRvL..48..975D . doi : 10.1103/PhysRevLett.48.975 . S2CID 122537043 .
- Интрилигатор, Кеннет; Зайберг, Натан (2013). «Аспекты 3d N = 2 теорий материи Черна – Саймонса». Журнал физики высоких энергий . 2013 : 79. arXiv : 1305.1633 . Бибкод : 2013JHEP...07..079I . дои : 10.1007/JHEP07(2013)079 . S2CID 119106931 .
- Джекив, Роман ; Пи, С.-Ю (2003). «Модификация Черна – Саймонса общей теории относительности». Физический обзор D . 68 (10): 104012. arXiv : gr-qc/0308071 . Бибкод : 2003PhRvD..68j4012J . дои : 10.1103/PhysRevD.68.104012 . S2CID 2243511 .
- Кулшрешта, Уша; Кулшрешта, Д.С.; Мюллер-Кирстен, HJW; Вари, JP (2009). «Гамильтониан, интеграл по путям и БРСТ-формулировки теории Черна-Саймонса-Хиггса при соответствующей фиксации калибровки». Физика Скрипта . 79 (4): 045001. Бибкод : 2009PhyS...79d5001K . дои : 10.1088/0031-8949/79/04/045001 . S2CID 120594654 .
- Кулшрешта, Уша; Кулшрешта, Д.С.; Вари, JP (2010). «Гамильтониан светового фронта, интеграл по траекториям и БРСТ-формулировки теории Черна-Саймонса-Хиггса при соответствующей фиксации калибровки». Физика Скрипта . 82 (5): 055101. Бибкод : 2010PhyS...82e5101K . дои : 10.1088/0031-8949/82/05/055101 . S2CID 54602971 .
- Лопес, Ана; Фрадкин, Эдуардо (1991). «Дробный квантовый эффект Холла и калибровочные теории Черна-Саймонса». Физический обзор B . 44 (10): 5246–5262. Бибкод : 1991PhRvB..44.5246L . дои : 10.1103/PhysRevB.44.5246 . ПМИД 9998334 .
- Марино, Маркос (2005). «Теория Черна – Саймонса и топологические струны». Обзоры современной физики . 77 (2): 675–720. arXiv : hep-th/0406005 . Бибкод : 2005РвМП...77..675М . дои : 10.1103/RevModPhys.77.675 . S2CID 6207500 .
- Марино, Маркос (2005). Теория Черна–Саймонса, матричные модели и топологические струны . Международная серия монографий по физике. Издательство Оксфордского университета .
- Виттен, Эдвард (1988). «Топологическая квантовая теория поля» . Связь в математической физике . 117 (3): 353–386. Бибкод : 1988CMaPh.117..353W . дои : 10.1007/BF01223371 . S2CID 43230714 .
- Виттен, Эдвард (1995). «Теория Черна – Саймонса как теория струн». Прогресс в математике . 133 : 637–678. arXiv : hep-th/9207094 . Бибкод : 1992hep.th....7094W .
- Специфический
- ^ Перейти обратно: а б Виттен, Эдвард (1989). «Квантовая теория поля и полином Джонса» . Связь в математической физике . 121 (3): 351–399. Бибкод : 1989CMaPh.121..351W . дои : 10.1007/BF01217730 . МР 0990772 . S2CID 14951363 .
- ^ Фридман, Майкл Х.; Китаев, Алексей; Ларсен, Майкл Дж.; Ван, Чжэнхань (20 сентября 2002 г.). «Топологические квантовые вычисления». arXiv : Quant-ph/0101025 .
- ^ Ван, Чжэнхань. «Топологические квантовые вычисления» (PDF) .
- ^ Элицур, Шмуэль ; Мур, Грегори ; Швиммер, Адам ; Зайберг, Натан (30 октября 1989 г.). «Замечания о каноническом квантовании теории Черна-Саймонса-Виттена». Ядерная физика Б . 326 (1): 108–134. Бибкод : 1989NuPhB.326..108E . дои : 10.1016/0550-3213(89)90436-7 .
- ^ Атья, Майкл (1990). «Об оснащениях 3-многообразий» . Топология . 29 (1): 1–7. дои : 10.1016/0040-9383(90)90021-б . ISSN 0040-9383 .
- ^ Кауфман, Л.Х.; Огаса, Э; Шнайдер, Дж (2018). «Вращающаяся конструкция для виртуальных 1-узлов и 2-узлов, а также волокнистая и сварная эквивалентность виртуальных 1-узлов». arXiv : 1808.03023 [ math.GT ].
- ^ Кауфман, Л.Е. (1998). «Теория виртуального узла». arXiv : math/9811028 .
- ^ Костелло, Кевин (2013). «Суперсимметричная калибровочная теория и янгиан». arXiv : 1303.2632 [ шестнадцатый ].
- ^ Костелло, Кевин; Виттен, Эдвард; Ямадзаки, Масахито (2018). «Калибровочная теория и интегрируемость, I». Извещения о Международном конгрессе китайских математиков . 6 (1): 46–119. arXiv : 1709.09993 . дои : 10.4310/ICCM.2018.v6.n1.a6 .
- ^ Костелло, Кевин; Виттен, Эдвард; Ямадзаки, Масахито (2018). «Калибровочная теория и интегрируемость, II». Извещения о Международном конгрессе китайских математиков . 6 (1): 120–146. arXiv : 1802.01579 . дои : 10.4310/ICCM.2018.v6.n1.a7 . S2CID 119592177 .
- ^ Костелло, Кевин; Ямадзаки, Масахито (2019). «Калибровочная теория и интегрируемость, III». arXiv : 1908.02289 [ геп-й ].
- ^ Ким, Сонгтаг; Ким, Юнбай (2002). «Самодвойственные вихри Черна – Саймонса на римановых поверхностях». Журнал математической физики . 43 (5): 2355–2362. arXiv : math-ph/0012045 . Бибкод : 2002JMP....43.2355K . дои : 10.1063/1.1471365 . S2CID 9916364 .
- ^ Наварро-Лерида, Франциско; Раду, Ойген; Чракян, Д.Х. (2017). «Влияние динамики Черна-Саймонса на энергию электрически заряженных и вращающихся вихрей». Физический обзор D . 95 (8): 085016. arXiv : 1612.05835 . Бибкод : 2017PhRvD..95h5016N . дои : 10.1103/PhysRevD.95.085016 . S2CID 62882649 .
Внешние ссылки [ править ]
- «Функционал Черна-Саймонса» . Энциклопедия математики . ЭМС Пресс . 2001 [1994].