Ett par forskare, en vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) och en annan vid California Institute of Technology (Caltech) och University of Tokyo, har nyligen undersökt en uppsättning gamla gissningar om symmetrier i kvantgravitation. De specifika gissningarna om fokus:(1) Quantum gravitation tillåter inte globala symmetrier; (2) För mätarsymmetri, alla möjliga avgifter måste realiseras; (3) Inre mätargrupper måste vara kompakta. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , visar att dessa gamla antaganden håller inom korrespondensen mot anti-de Sitter/conformal field theory (AdS-CFT).

"Historiskt sett begreppet symmetri har spelat viktiga roller i fysiken, både när det gäller att identifiera och formulera grundläggande naturlagar, och i att använda dessa lagar för att förstå och förutsäga naturfenomen som dynamik och materiella faser, " Hirosi Ooguri, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Dock, det har funnits teoretiska belägg för att när vi kombinerar gravitation och kvantmekanik (de två grundläggande idéerna i modern fysik), alla globala symmetrier är borta."

Inom fysiken, symmetrier kan vara av två slag:mätare och globala. I flera decennier, forskare har föreslagit idén att globala symmetrier inte borde vara möjliga i kvantgravitation, eftersom den enhetliga teorin om tyngdkraft och kvantmekanik inte skulle tillåta någon symmetri. Detta är ett djupt påstående med viktiga konsekvenser. Till exempel, den förutspår att en proton inte skulle vara stabil mot sönderfall i andra partiklar.

"Standardmodellen för partikelfysik har båda typerna av symmetrier, så vi förutspår att de globala bara måste vara ungefärliga, "Daniel Harlow, den andra forskaren som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Än så länge, den här idén har haft visst inbördes stöd, men det fanns inget övertygande argument. I vårt papper, vi gav vad vi tycker är ett ganska övertygande argument i specialfallet om AdS/CFT -korrespondensen. Denna korrespondens ger våra bäst förstådda teorier om kvantgravitation, och vi kunde visa att det inte tillåter globala symmetrier. "

Före Ooguri och Harlows tidning, andra forskare framförde argument som stöder påståendet att kvantgravitation (förening av kvantmekanik och gravitation) inte kan ha någon symmetri. Ändå, dessa argument presenterade ofta logiska luckor eller kryphål, till exempel att misslyckas med att ta itu med några viktiga fall (t.ex. diskret symmetri).

"Vår nya uppsats ger ett noggrant bevis på detta påstående i samband med AdS/CFT -korrespondensen, där kvantgravitation definieras på ett matematiskt exakt sätt, och vi har gjort det på det mest allmänna sättet, exklusive alla möjliga globala symmetrier från kvantgravitation, " sa Ooguri.

Beviset som presenteras av Ooguri och Harlow bygger på två viktiga idéer:den holografiska principen om kvantgravitation och kvantfelkorrigerande koder. Den holografiska principen introducerades först av Gerard 't Hooft och Leonard Susskind i början av 90-talet, men det har sedan dess byggts flitigt på. En av dess mest avgörande utveckling var upptäckten av AdS/CFT -korrespondensen av Juan Maldacena 1997.

Ooguri och Harlow ville bevisa en matematisk sats om kvantgravitation, så de krävde en exakt definition av den holografiska principen. De beslutade att anta AdS/CFT -korrespondensen, eftersom detta var det enda sättet de kände att de kunde uppnå sitt mål.

"Våra grundläggande verktyg är kvantfelkorrigering, AdS/CFT-korrespondensen, och kvantfältteori, "Harlow sa." Den förmodligen viktigaste punkten att förmedla här är att även om AdS/CFT är en vacker teori om kvantgravitation, det är inte teorin om kvantgravitation i vår värld. Det är en leksaksmodell av den typ som fysiker gillar att studera (som den berömda sfäriska kon). Vi tror, dock, att de lärdomar vi lär oss av denna leksaksmodell bör övergå till vår värld förutsatt att vi är försiktiga. "

Några år sedan, en annan forskargrupp som också inkluderade Harlow visade att holografi fungerar i kvantgravitation på ett liknande sätt som hur kvantfelskorrigering fungerar i kvantberäkning. I AdS/CFT -korrespondensen, rymdtidens geometri i anti-de Sitter Space kommer från kvantinvikling i konforma fältteorin. Harlow och hans kollegor visade att de framväxande geometriska data är, faktiskt, kvantfelkorrigeringskoder, ur CFT -synvinkel.

Insikten från denna tidigare forskning var väsentlig för att bevisa satsen i forskarnas senaste studie. I deras nya studie, Ooguri och Harlow fann att sättet att korrigera kvantfel inte är kompatibelt med någon symmetri. Således, när kvantmekanik och gravitation har slagits samman, ingen symmetri är exakt.

"Man har allmänt trott att symmetri är ett grundläggande begrepp i naturen, " Ooguri sa. "Många fysiker tror att det måste finnas en vacker uppsättning lagar i naturen, och att ett sätt att kvantifiera skönhet är genom symmetri. En del av symmetrin kan vara gömd i vår värld (eller 'spontant trasig, "i fysik termer), men de kan visa sig om vi ser på naturen på en mer grundläggande nivå. Vi visade att tron ​​som uttrycks i ovanstående är fel. Naturlagarna på den mest grundläggande nivån, där kvantmekanik och gravitation förenas, har ingen global symmetri. "

Studien utförd av Ooguri och Harlow ger viktig insikt i fysikområdet, utesluter möjligheten till globala symmetrier i en bred klass av kvantgravitationsteorier. Deras resultat har implikationer för många studieområden, till exempel förutsäga instabiliteten hos protoner.

"Våra fynd förutsäger att protonen inte ska vara stabil, "Harlow sa." Det är inte självklart, men det förutsäger också förekomsten av magnetiska monopoler:isolerade föremål som bär magnetisk laddning. Än så länge, vi har aldrig sett ett sådant föremål, men folk söker fortfarande efter dem. Tyvärr, våra resultat är inte tillräckligt starka för att säga hur många monopoler som borde finnas, var de borde vara, eller hur länge vi måste vänta för att se en proton sönderfalla."

I deras framtida arbete, Harlow och Ooguri skulle vilja kvantifiera hur symmetri bryts. Än så länge, de har bara bevisat att kvantgravitationen inte kan ha någon symmetri utan att klargöra hur den tas isär. Till exempel, deras fynd tyder på att protonen skulle sönderfalla, men de klargör inte hur det förfaller eller hur länge det kan leva innan det gör det. Det är mycket viktiga frågor, som forskarna hoppas kunna ta upp i sin framtida forskning.

"Kavli -institutet för universums fysik och matematik vid University of Tokyo, varav jag är regissör, är involverad i Hyper-Kamiokande-projektet som ska byggas i zinkgruvan Kamioka i det centrala bergsområdet i Japan, "Tillade Ooguri." Ett av syftena med projektet är att se om protonen försvinner och för att göra detta kommer experterna att bygga en stor vattentank i gruvan. Enligt vår teorem, protonerna borde sönderfalla. Men, vi kan inte berätta för experimenterande hur stora vattentankarna ska vara för att de ska kunna se protonerna sönderfalla inom en rimlig tidsperiod. Detta är ett exempel på varför kvantifiering av hur symmetri bryts skulle vara avgörande. Daniel och jag har en uppfattning om hur vi kan kvantifiera hur symmetri bryts och vi fortsätter nu vår undersökning i denna riktning. "

© 2019 Science X Network