В физике сигма -модель — это теория поля , которая описывает поле как точечную частицу, способную двигаться по фиксированному многообразию. Это многообразие может быть любым римановым многообразием , хотя чаще всего оно считается либо группой Ли , либо симметрическим пространством . Модель может быть квантованной, а может и не быть квантованной. Примером неквантованной версии является модель Скирма ; его нельзя квантовать из-за нелинейности степени больше 4. В общем, сигма-модели допускают (классические) топологические солитонные решения, например, Скирмион для модели Скирма. Когда сигма-поле связано с калибровочным полем, результирующая модель описывается теорией Гинзбурга – Ландау . Данная статья посвящена в первую очередь классической теории поля сигма-модели; соответствующая квантовая теория представлена в статье « Нелинейная сигма-модель ».
Название имеет корни в физике элементарных частиц, где сигма-модель описывает взаимодействия пионов . К сожалению, «сигма-мезон» не описывается сигма-моделью, а лишь ее компонент. [1]
Сигма-модель была представлена Гелл-Манном и Леви (1960, раздел 5); Название σ-модель происходит от поля в их модели, соответствующего бесспиновому мезону под названием σ , скалярному мезону, введенному ранее Джулианом Швингером . [2] Модель служила доминирующим прототипом спонтанного нарушения симметрии O(4) вплоть до O(3): три нарушенных аксиальных генератора являются простейшим проявлением нарушения киральной симметрии , а сохранившийся ненарушенный O(3) представляет собой изоспин .
В традиционных установках физики элементарных частиц поле обычно считается SU(N) или векторным подпространством частного произведения левого и правого киральных полей. В теориях конденсированного состояния поле принимается равным O(N) . Для группы вращения O(3) сигма-модель описывает изотропный ферромагнетик ; В более общем плане модель O(N) проявляется в квантовом эффекте Холла , сверхтекучем гелии-3 и спиновых цепочках .
В моделях супергравитации поле считается симметричным пространством . Поскольку симметрические пространства определяются в терминах их инволюции , их касательное пространство естественным образом распадается на подпространства четной и нечетной четности. Это расщепление помогает способствовать уменьшению размерностей теорий Калуцы – Клейна .
В своей самой базовой форме сигма-модель можно рассматривать как чисто кинетическую энергию точечной частицы; как поле это просто энергия Дирихле в евклидовом пространстве.
В двух пространственных измерениях модель O(3) полностью интегрируема .
Лагранжева плотность сигма-модели может быть записана множеством различных способов, каждый из которых подходит для определенного типа приложения. Самое простое и общее определение описывает лагранжиан как метрический след обратного образа метрического тензора на римановом многообразии . Для поля в пространстве -времени это можно записать как
где - метрический тензор в пространстве полей , а - производные на базовом пространственно-временном многообразии .
Это выражение можно немного распаковать. Пространством поля можно выбрать любое риманово многообразие . Исторически это «сигма» сигма-модели; исторически подходящий символ здесь избегается, чтобы предотвратить конфликты со многими другими распространенными использованиями в геометрии. Римановы многообразия всегда имеют метрический тензор . Учитывая атлас карт на , пространство полей всегда можно локально тривиализировать , поскольку, как указано в атласе, можно написать карту , дающую явные локальные координаты на этом участке. Метрический тензор на этом участке представляет собой матрицу, имеющую компоненты
Базовое многообразие должно быть дифференцируемым многообразием ; по соглашению, это либо пространство Минковского в приложениях физики элементарных частиц , плоское двумерное евклидово пространство для приложений конденсированного состояния , либо риманова поверхность , мировой лист в теории струн . Это просто старая добрая ковариантная производная на базовом пространственно-временном многообразии. Когда оно плоское, это просто обычный градиент скалярной функции (как и скалярное поле с точки зрения самого себя). Говоря более точным языком, это секция реактивного пучка . _
Взяв дельту Кронекера , т.е. скалярное скалярное произведение в евклидовом пространстве, можно получить нелинейную сигма-модель. То есть, запишите единичный вектор в , так что с обычным евклидовым скалярным произведением. Затем -сфера , изометриями которой являются группы вращений . Тогда лагранжиан можно записать как
Для это предел континуума изотропного ферромагнетика на решетке, т.е. классической модели Гейзенберга . Для это предел континуума классической модели XY . См. также n-векторную модель и модель Поттса для обзоров эквивалентов решетчатой модели . Предел континуума берется записью
как конечная разность в соседних узлах решетки. Тогда в пределе и после исключения постоянных членов («объемная намагниченность»).
Сигма-модель также можно записать в более полной геометрической записи как расслоение со слоями над дифференцируемым многообразием . Учитывая сечение , зафиксируйте точку. Продвижение в - это карта касательных расслоений.
где принимается базис ортонормированного векторного пространства на и базис векторного пространства на . Это дифференциальная форма . В таком случае действие сигма-модели представляет собой просто обычный внутренний продукт векторнозначных k -форм.
где – произведение клина , а – звезда Ходжа . Это внутренний продукт в двух разных смыслах. Первым способом, учитывая любые две дифференцируемые формы в , двойственный Ходж определяет инвариантный скалярный продукт в пространстве дифференциальных форм, обычно записываемый как
Вышеупомянутое является внутренним произведением в пространстве интегрируемых с квадратом форм, которое условно принято называть пространством Соболева . Таким образом, можно написать
Это делает очевидным и очевидным, что сигма-модель — это просто кинетическая энергия точечной частицы. С точки зрения многообразия поле является скаляром, и поэтому его можно признать обычным градиентом скалярной функции. Звезда Ходжа — это просто причудливое устройство для отслеживания формы объема при интегрировании в искривленном пространстве-времени. В случае плоского варианта его можно полностью игнорировать, поэтому действие
что является энергией Дирихле . Классическими экстремумами действия (решениями уравнений Лагранжа ) являются тогда те конфигурации поля, которые минимизируют энергию Дирихле . Другой способ преобразовать это выражение в более легко узнаваемую форму — заметить, что для скалярной функции можно также написать
где – оператор Лапласа–Бельтрами , т.е. обычный лапласиан, когда он плоский.
Для того, чтобы в игре присутствует еще один , второй внутренний продукт, просто необходимо не забывать, что это вектор с точки зрения самого себя. То есть для любых двух векторов риманова метрика определяет скалярный продукт
Поскольку на локальных диаграммах он имеет векторное значение , туда также берется внутренний продукт. Более многословно,
Напряженность между этими двумя внутренними продуктами можно сделать еще более явной, если отметить, что
является билинейной формой ; это возврат к метрике Римана . Индивидуума можно принять за vielbeins . Лагранжева плотность сигма-модели тогда равна
для метрики на Учитывая это склеивание, можно интерпретировать как форму припоя ; более подробно это сформулировано ниже.
По поводу классической (неквантованной) сигма-модели можно сделать несколько интерпретационных и основополагающих замечаний. Первое из них заключается в том, что классическую сигма-модель можно интерпретировать как модель невзаимодействующей квантовой механики. Второе касается интерпретации энергии.
Это следует непосредственно из выражения
приведено выше. Принимая , функцию можно интерпретировать как волновую функцию , а ее лапласиан - как кинетическую энергию этой волновой функции. Это всего лишь некая геометрическая машина, напоминающая о необходимости интегрироваться во всем пространстве. Соответствующие квантово-механические обозначения: В плоском пространстве лапласиан обычно записывается как . Собрав все эти части вместе, действие сигма-модели эквивалентно
что представляет собой просто общую кинетическую энергию волновой функции с точностью до коэффициента . В заключение отметим, что классическую сигма-модель можно интерпретировать как квантовую механику свободной невзаимодействующей квантовой частицы. Очевидно, что добавление члена к лагранжиану приводит к квантовой механике волновой функции в потенциале. Взятия недостаточно для описания системы -частиц, поскольку частицам требуются отдельные координаты, которые не предоставляются базовым многообразием. Эту проблему можно решить, сделав копии базового коллектора.
Очень хорошо известно, что геодезическая структура риманова многообразия описывается уравнениями Гамильтона–Якоби . [3] В миниатюрном виде конструкция выглядит следующим образом. Оба и являются римановыми многообразиями; ниже написано для , то же самое можно сделать и для . Кокасательное расслоение , снабженное координатными картами , всегда может быть локально тривиализировано , т.е.
Тривиализация предоставляет канонические координаты на кокасательном расслоении. По метрическому тензору на определим функцию Гамильтона
где, как всегда, следует отметить, что в этом определении используется обратная метрика: как известно, геодезический поток на задается уравнениями Гамильтона – Якоби
Геодезический поток является гамильтоновым потоком ; решения вышесказанного являются геодезическими многообразия. Заметим, кстати, что по геодезическим; параметр времени — расстояние по геодезической.
Сигма-модель принимает импульсы двух коллекторов и спаивает их вместе, то есть в форме пайки . В этом смысле интерпретация сигма-модели как энергетического функционала не удивительна; на самом деле это склейка двух энергетических функционалов. Внимание: точное определение формы припоя требует, чтобы она была изоморфизмом; это может произойти только в том случае, если и имеют одинаковую реальную размерность. Более того, традиционное определение формы припоя подразумевает группу Ли. Оба условия выполняются в различных приложениях.
Пространство часто воспринимается как группа Ли , обычно SU(N) в традиционных моделях физики элементарных частиц, O(N) в теориях конденсированного состояния или как симметричное пространство в моделях супергравитации . Поскольку симметричные пространства определяются в терминах их инволюции , их касательное пространство (т.е. место, где живет) естественным образом распадается на подпространства четной и нечетной четности. Это расщепление помогает способствовать уменьшению размерностей теорий Калуцы – Клейна .
В частном случае группы Ли это метрический тензор группы Ли, формально называемый тензором Картана или формой Киллинга . Тогда лагранжиан можно записать как обратную форму Киллинга. Заметим, что форму Киллинга можно записать в виде следа по двум матрицам из соответствующей алгебры Ли ; таким образом, лагранжиан также можно записать в форме, включающей след. С небольшими перестановками ее также можно записать как откат формы Маурера-Картана .
Распространенным вариантом сигма-модели является ее представление в симметричном пространстве . Прототипическим примером является киральная модель , которая принимает произведение
«левых» и «правых» киральных полей, а затем строит сигма-модель на «диагонали»
Такое фактор-пространство является симметричным пространством, и поэтому в общем случае можно взять где - максимальная подгруппа, которая инвариантна относительно инволюции Картана . Лагранжиан по-прежнему записывается точно так же, как указано выше, либо в терминах возврата метрики к метрике , либо в виде возврата формы Маурера – Картана.
В физике наиболее распространенное и общепринятое изложение сигма-модели начинается с определения
Здесь – возврат формы Маурера–Картана при , на пространственно-временное многообразие. Это проекция на нечетную часть инволюции Картана. То есть, учитывая алгебру Ли , инволюция разлагает пространство на компоненты нечетной и четной четности , соответствующие двум собственным состояниям инволюции. Тогда лагранжиан сигма-модели можно записать как
Это сразу можно узнать как первый член модели Скирма .
Эквивалентной метрической формой этого является запись элемента группы как геодезической элемента алгебры Ли . Это базисные элементы алгебры Ли; являются структурными константами . _
Подключение этого непосредственно к приведенному выше и применение бесконечно малой формы формулы Бейкера-Кэмпбелла-Хаусдорфа быстро приводит к эквивалентному выражению
где теперь очевидно (пропорционально) форме Киллинга, а - это фигуры , которые выражают «кривую» метрику через «плоскую» метрику . Статья о формуле Бейкера-Кэмпбелла-Хаусдорфа дает явное выражение для вильбейнов. Их можно записать как
где – матрица, матричные элементы которой равны .
Для сигма-модели в симметричном пространстве, в отличие от группы Ли, они ограничены охватом подпространства, а не всего . Включенного коммутатора Ли не будет внутри ; действительно, он есть , и поэтому проекция все еще необходима.
Модель может быть расширена различными способами. Помимо вышеупомянутой модели Скирма , которая вводит члены четвертой степени, модель может быть дополнена торсионным членом, чтобы получить модель Весса-Зумино-Виттена .
Другая возможность часто встречается в моделях супергравитации . Здесь можно отметить, что форма Маурера – Картана выглядит как «чистая калибровка». В приведенной выше конструкции для симметричных пространств можно рассмотреть и другую проекцию
где, как и прежде, симметрическое пространство соответствовало расколу . Этот дополнительный член можно интерпретировать как связность на расслоении (он преобразуется как калибровочное поле). Это то, что «осталось» от соединения на . Ему можно придать собственную динамику, написав
с . Обратите внимание, что дифференциал здесь — это просто «d», а не ковариантная производная; это не тензор энергии-импульса Янга – Миллса. Этот член сам по себе не является калибровочным инвариантом; его необходимо взять вместе с той частью связи, которая вкладывается в , так что, взятые вместе, , теперь со связностью как ее частью, вместе с этим членом образует полный калибровочно-инвариантный лагранжиан (который действительно имеет Ян- Термины Миллса в нем, когда они развернуты).