stringtranslate.com

Модель Сигмы

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 ».

Обзор

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 .

Определение

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 . _

Пример: нелинейная сигма-модель O(N)

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»).

В геометрических обозначениях

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.

принимая

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.

Мотивации и основные интерпретации

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.

Интерпретация как квантовая механика

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.

Форма припоя

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

и

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.

Результаты на различных пространствах

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 .

О группах Лия

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 .

О симметричных пространствах

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.

Обозначение трассировки

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 .

Метрическая форма

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.

Расширения

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).

Рекомендации

  1. ^ страница 114, Дэвид Тонг : Лекции по статистической теории поля
  2. ^ Джулиан С. Швингер, «Теория фундаментальных взаимодействий», Ann. Физ. 2 (407), 1957.
  3. ^ Юрген Йост (1991) Риманова геометрия и геометрический анализ, Springer