Forskare vid Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (WPI) och Tohoku University i Japan har nyligen identifierat en anomali i den elektromagnetiska dualiteten i Maxwell Theory. Denna anomali, beskrivs i ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , kan spela en viktig roll i strängteorins konsekvens.

Den senaste studien är ett samarbete mellan Yuji Tachikawa och Kazuya Yonekura, två strängteoretiker, och Chang-Tse Hsieh, en sammanfattningsteoretiker. Även om studien började som en undersökning av strängteori, det har också konsekvenser för andra fysikområden.

I nuvarande fysikteori, klassisk elektromagnetism beskrivs av Maxwells ekvationer, som först introducerades av fysikern James Clerk Maxwell omkring 1865. Objekt som styrs av dessa ekvationer inkluderar elektriska och magnetiska fält, elektriskt laddade partiklar (t.ex. elektroner och protoner), och magnetiska monopoler (dvs. hypotetiska partiklar som bär enstaka magnetiska poler).

Än så länge, forskare har inte kunnat observera magnetiska monopoler, men teoretiska förutsägelser har pekat på deras existens i flera decennier. En viktig implikation av förekomsten av magnetiska monopoler är kvantiseringen av alla elektriska laddningar i universum, introducerades ursprungligen av Paul Dirac 1931.

"I fyra rumstidsdimensioner, elektriska laddningar är alltid heltalsmultiplar med ett minimumtal, om det finns en magnetisk monopol, "Hsieh, Tachikawa och Yonekura berättade för Phys.org via e -post. "Detta kallas Dirac -kvantisering av laddningar."

Om vi ​​antar att det finns både elektriska och magnetiska laddningar, Maxwell -ekvationerna respekterar en viss symmetri, som kallas elektromagnetisk dualitet. Denna symmetri uppnås genom att byta ut den elektriska laddningen och den magnetiska monopolen.

Vad händer med denna elektromagnetiska dualitet när systemet kvantiseras? Även om detta kan verka som en naturlig fråga, väldigt få studier har försökt svara på det, särskilt i situationer där att gå runt en viss väg i rymdtiden resulterar i icke -privata dualitetsåtgärder.

"Nu, låt oss komma tillbaka till strängteorin i vår studie, "sa forskarna." Strängteori har tio rymdtidsmål, och det finns en högre dimensionell analog av Dirac -kvantisering. Dock, det är också känt att vissa objekt i strängteorin, kallas orienteringsfält, bryta mot Dirac -kvantisering. "

Rent generellt, när det finns en uppenbar inkonsekvens i strängteorin, närmare inspektion tenderar att förklara det och ge bevis som bekräftar teorins giltighet. Medan vissa forskare delvis kunde förklara kränkningen av Dirac -kvantisering observerad i orienteringsfält genom att överväga anomalier hos fermioner, i en tidigare studie, Tachikawa och Yonekura föreslog behovet av en subtilare effekt som involverar kvantegenskaper för elektromagnetisk dualitet.

"Vi fann att denna dualitetssymmetri kränks något kvantmekaniskt, "förklarade forskarna." Detta är den anomali som studerades i tidningen. Dessutom, överträdelsen avbryts exakt mot kränkningen av Dirac -kvantisering i strängteori. Våra observationer kan således hjälpa till att rädda strängteori från denna inkonsekvens. "

I deras studie, Hsieh, Tachikawa och Yonekura analyserade avvikelsen som de identifierade i den elektromagnetiska dualiteten i Maxwell-teorin med hjälp av två inbördes relaterade metoder. Först, de ansåg att det levde på gränsen till en symmetri-skyddad topologisk materiefas.

"Detta är en synvinkel som utvecklats under de senaste åren av teoretiker av kondenserade ämnen, och ett känt exempel är att gaplösa fermioner dyker upp på ytan av topologiska isolatorer, "Hsieh, Tachikawa och Yonekura förklarade. "I vårat fall, vi betraktar 3+1-dimensionell Maxwell-teori som att leva på gränsen till en 4+1-dimensionell topologisk fas av materia. "

Uppsättningen som används av forskarna skiljer sig något från de som studerats av fysiker av kondensmaterial, som vanligtvis fokuserar på teorier upp till tre rumsliga dimensioner och en tidsdimension. De tekniker som vanligtvis används av fysiker av kondenserad materia, dock, kan också tillämpas på denna anomali.

"Hsieh arbetade med anomalin hos 3+1 dimensionella fermioner ur denna synvinkel i sitt tidigare arbete, så vi bestämde oss för att kombinera krafter för att studera avvikelsen i Maxwell -teorin på detta sätt, "förklarade forskarna." I slutändan, vi fann att anomalin i Maxwell -teorin som vi bestämde i detta arbete var densamma som anomali hos 56 fermioner som tidigare bestämdes av Hsieh i hans uppsats. "

Det andra sättet på vilket forskarna analyserade anomalin i den elektromagnetiska dualiteten i Maxwell -teorin involverar strängteori. Mer exakt, de ansåg det inom ramen för M-teorin, som antas vara enandet av alla strängteorier.

Även om elektromagnetisk dualitet är något mystisk i fyra rymddimensioner, det blir uppenbart om det betraktas ur M-teorins perspektiv. Dessutom, M-teori ger ett sätt att analysera hur elektromagnetisk dualitet kränks något av det som kallas en gravitationsanomali. Forskarna kunde också använda denna teori för att förklara varför Maxwell -teorin har samma anomali som 56 fermioner.

"Det finns en enorm mängd bevis för att strängteori är en konsekvent teori om kvantgravitation, oavsett om den beskriver vår värld eller inte, "Hsieh, Sa Tachikawa och Yonekura. "Vårt arbete lägger till ett litet men nytt bevis på att strängteori verkligen är konsekvent på ett subtilt och överraskande sätt."

Analyserna utförda av Hsieh, Tachikawa och Yonekura bekräftar strängteorins konsistens, förklarar inkonsekvenserna som de identifierade i sina tidigare studier. Dessutom, deras arbete ger intressant insikt om Maxwell -teorin, som är en av de mest studerade fysiska konstruktionerna.

"Även 150 år efter att Maxwell introducerade sina ekvationer, det finns fortfarande så mycket att upptäcka, "sa forskarna." Mer konkret, det är ofta användbart att 'mäta' en symmetri, vilket i huvudsak innebär att göra det både lokalt och dynamiskt. Elektromagnetismen och gravitationen uppstår genom att mäta fasrotationssymmetrin för vågfunktioner hos laddade partiklar, och mäta den allmänna koordinatomvandlingen av rymdtiden, respektive. Våra resultat innebär att det inte är möjligt att mäta den elektromagnetiska dualitetssymmetrin, på grund av dess anomali. "

Även om den senaste forskningen som gjorts av detta forskargrupp ledde till några intressanta fynd, det målar inte upp en fullständig bild av Dirac -kvantisering i strängteori. I deras framtida arbete, forskarna tänker alltså undersöka detta ämne ytterligare, i hopp om att göra nya fascinerande upptäckter.

"Vi skulle också vilja förstå djupare sambandet mellan anomali hos ett d-dimensionellt system och de symmetri-skyddade topologiska faserna i (d+1) dimensioner, "sa forskarna." Många papper har skrivits om denna fråga, både av kondenserade teoretiker och av strängteoretiker, men det verkar finnas mycket mer att förstå. "

© 2019 Science X Network