研究人員證明了全息術(shù)對稱性的限制

一對研究人員，一位在麻省理工學(xué)院(麻省理工學(xué)院)和另一位在加州理工學(xué)院(加州理工學(xué)院)和東京大學(xué)，最近研究了一系列關(guān)于量子引力對稱性的舊猜想。具體的焦點猜想：(1)量子引力不允許全局對稱; (2)對于規(guī)范對稱，必須實現(xiàn)所有可能的費用; (3)內(nèi)部壓力表組必須緊湊。他們在“ 物理評論快報”上發(fā)表的論文表明，這些舊的假設(shè)屬于反德西特/保形場理論(AdS-CFT)的對應(yīng)關(guān)系。

“從歷史上看，對稱概念在物理學(xué)中發(fā)揮了重要作用，包括識別和制定自然界的基本規(guī)律，以及利用這些規(guī)律來理解和預(yù)測自然現(xiàn)象，如物質(zhì)的動力學(xué)和階段，”Hirosi Ooguri，其中一個進行這項研究的研究人員告訴Phys.org。“然而，有理論證據(jù)表明，一旦我們將重力和量子力學(xué)(現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個基本思想)結(jié)合起來，所有的全局對稱性就會消失。”

在物理學(xué)中，對稱性可以有兩種：規(guī)范和全局。幾十年來，研究人員提出了這樣的觀點，即量子引力不可能存在全局對稱性，因為統(tǒng)一的引力和量子力學(xué)理論不允許任何對稱性。這是一項具有重要影響的深刻主張。例如，它預(yù)測質(zhì)子對于衰變成其他粒子是不穩(wěn)定的。

“粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型具有兩種對稱性，因此我們預(yù)測全局的只能是近似的，”參與該研究的另一位研究員Daniel Harlow告訴Phys.org。“到目前為止，這個想法得到了一些間接支持，但沒有令人信服的論點。在我們的論文中，我們在AdS / CFT通信的特殊情況下給出了我們認(rèn)為相當(dāng)有說服力的論據(jù)。這種對應(yīng)給出了我們最好的 - 了解量子引力理論，我們能夠證明它不允許全局對稱。“

在Ooguri和Harlow的論文之前，其他研究人員提出論據(jù)支持量子引力(量子力學(xué)和引力的統(tǒng)一)不能具有任何對稱性的說法。盡管如此，這些論點往往存在邏輯上的差距或漏洞，例如未能解決一些重要案例(例如離散對稱)。

“我們的新論文在AdS / CFT對應(yīng)的背景下提供了這種主張的嚴(yán)格證明，其中量子引力以數(shù)學(xué)上精確的方式定義，并且我們以最一般的方式這樣做，排除了量子的所有可能的全局對稱性重力，“Ooguri說。

Ooguri和Harlow提出的證據(jù)基于兩個重要思想：量子引力的全息原理和量子糾錯碼。全息原則最初是由Gerard't Hooft和Leonard Susskind在90年代早期引入的，但后來被廣泛開發(fā)。其最重要的發(fā)展之一是Juan Maldacena在1997年發(fā)現(xiàn)了AdS / CFT通信。

Ooguri和Harlow希望證明關(guān)于量子引力的數(shù)學(xué)定理，因此他們需要精確定義全息原理。他們決定采用AdS / CFT通信，因為這是他們認(rèn)為可以實現(xiàn)目標(biāo)的唯一方式。

“我們的基本工具是量子誤差校正，AdS / CFT對應(yīng)和量子場理論，”Harlow說。“在這里傳達的最重要的一點可能是，雖然AdS / CFT是一個美麗的量子引力理論，但它不是我們世界中量子引力的理論。它是物理學(xué)家喜歡研究的類型的玩具模型(如然而，我們相信，只要我們小心，我們在這個玩具模型中學(xué)到的經(jīng)驗教訓(xùn)應(yīng)該延續(xù)到我們的世界。“

幾年前，另一個同樣包括哈洛的研究小組表明，全息術(shù)在量子引力方面的工作方式與量子糾錯在量子計算中的工作方式類似。在AdS / CFT對應(yīng)中，anti-de Sitter空間中的時空幾何形狀從共形場理論中的量子糾纏中出現(xiàn)。Harlow和他的同事表明，從CFT的角度來看，出現(xiàn)的幾何數(shù)據(jù)實際上是量子糾錯碼。

先前研究的見解對于證明研究人員最近研究中的定理至關(guān)重要。在他們的新研究中，Ooguri和Harlow發(fā)現(xiàn)量子誤差校正的工作方式與任何對稱性都不相容。因此，一旦量子力學(xué)和引力合并，就沒有對稱性。

“人們普遍認(rèn)為，對稱性本質(zhì)上是一個基本概念，”Ooguri說。“許多物理學(xué)家認(rèn)為，自然界必定有一套漂亮的法則，量化美的一種方法是對稱性。一些對稱性可能隱藏在我們的世界中(或者在物理學(xué)術(shù)語中”自發(fā)破碎“)，但是如果我們從更基本的層面看待自然，它們就可能表現(xiàn)出來。我們表明上述表達的信念是錯誤的。量子力學(xué)和引力統(tǒng)一的最基本層面的自然法則沒有全局對稱性。“

由Ooguri和Harlow進行的研究為物理學(xué)領(lǐng)域帶來了重要的見解，排除了在一大類量子引力理論中全局對稱的可能性。他們的研究結(jié)果對許多研究領(lǐng)域都有影響，例如預(yù)測質(zhì)子的不穩(wěn)定性。

“我們的研究結(jié)果預(yù)測質(zhì)子不應(yīng)該穩(wěn)定，”哈洛說。“這并不明顯，但它也預(yù)測了磁單極子的存在：帶有磁荷的孤立物體。到目前為止，我們從未見過這樣的物體，但人們?nèi)栽趯ふ宜鼈?。不幸的是，我們的結(jié)果并不強烈足以說明應(yīng)該存在多少單極子，它們應(yīng)該存在多少，或者我們需要等多久才能看到質(zhì)子衰變。“

在他們未來的工作中，Harlow和Ooguri想要量化對稱性如何被打破。到目前為止，他們只是證明了量子引力不能具有任何對稱性，而沒有說明它是如何分開的。例如，他們的研究結(jié)果表明，質(zhì)子應(yīng)該衰變，但他們并沒有澄清它是如何衰變的，也不會說明它可以活多久。這些是非常重要的問題，研究人員希望在未來的研究中提出這些問題。

“東京大學(xué)Kavli宇宙物理與數(shù)學(xué)研究所，我是其主任，參與了在日本中部山區(qū)的神岡鋅礦建造的Hyper-Kamiokande項目，” Ooguri補充道。“該項目的目標(biāo)之一是看看質(zhì)子是否衰變并且做這個實驗者將在礦井中建造一個大型水箱。根據(jù)我們的定理，質(zhì)子應(yīng)該衰變。但是，我們不能告訴實驗者水有多大坦克應(yīng)該讓他們能夠在一段合理的時間內(nèi)看到質(zhì)子衰變。這就是為什么量化對稱性如何被破壞的一個例子至關(guān)重要。丹尼爾和我對如何量化對稱的方式有一些想法 我們正在朝這個方向繼續(xù)調(diào)查。“