Een paar onderzoekers, een aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en een andere aan het California Institute of Technology (Caltech) en de Universiteit van Tokio, hebben onlangs een reeks oude vermoedens over symmetrieën in kwantumzwaartekracht onderzocht. De specifieke vermoedens van focus:(1) Kwantumzwaartekracht laat geen globale symmetrieën toe; (2) Voor ijksymmetrie, alle mogelijke lasten moeten gerealiseerd worden; (3) Interne meetgroepen moeten compact zijn. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , laat zien dat deze oude aannames binnen de anti-de Sitter/conforme veldentheorie (AdS-CFT) correspondentie passen.

"Historisch, het concept van symmetrie heeft een belangrijke rol gespeeld in de natuurkunde, zowel bij het identificeren en formuleren van fundamentele natuurwetten, en door deze wetten te gebruiken om natuurlijke fenomenen zoals dynamiek en fasen van zaken te begrijpen en te voorspellen, "Hirosi Ooguri, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Echter, er is theoretisch bewijs dat suggereert dat, zodra we zwaartekracht en kwantummechanica combineren (de twee fundamentele ideeën in de moderne natuurkunde), alle globale symmetrieën zijn verdwenen."

in de natuurkunde, symmetrieën kunnen van twee soorten zijn:ijk en globaal. Sinds enkele decennia is onderzoekers hebben het idee geopperd dat globale symmetrieën niet mogelijk zouden moeten zijn in kwantumzwaartekracht, omdat de verenigde theorie van zwaartekracht en kwantummechanica geen symmetrie zou toestaan. Dit is een diepgaande bewering met belangrijke gevolgen. Bijvoorbeeld, het voorspelt dat een proton niet stabiel zou zijn tegen verval in andere deeltjes.

"Het standaardmodel van deeltjesfysica heeft beide soorten symmetrieën, dus we voorspellen dat de globale slechts bij benadering moeten zijn, "Daniël Harlow, de andere bij het onderzoek betrokken onderzoeker, vertelde Phys.org. "Tot dusver, dit idee heeft enige indirecte steun gehad, maar er was geen overtuigend argument. In onze krant, we gaven wat we denken dat een nogal overtuigend argument is in het speciale geval van de AdS/CFT-correspondentie. Deze correspondentie geeft onze best begrepen theorieën over kwantumzwaartekracht, en we waren in staat om aan te tonen dat het geen globale symmetrieën toelaat."

Voorafgaand aan Ooguri en Harlow's paper, andere onderzoekers voerden argumenten aan ter ondersteuning van de bewering dat kwantumzwaartekracht (de unificatie van kwantummechanica en zwaartekracht) geen symmetrie kan hebben. Niettemin, deze argumenten vertoonden vaak logische hiaten of mazen, bijvoorbeeld het niet behandelen van enkele belangrijke gevallen (bijv. discrete symmetrie).

"Ons nieuwe document levert een rigoureus bewijs van deze bewering in de context van de AdS/CFT-correspondentie, waar kwantumzwaartekracht op een wiskundig nauwkeurige manier wordt gedefinieerd, en dat hebben we op de meest algemene manier gedaan, uitsluiting van alle mogelijke globale symmetrieën van kwantumzwaartekracht, ' zei Ooguri.

Het bewijs van Ooguri en Harlow is gebaseerd op twee belangrijke ideeën:het holografische principe van kwantumzwaartekracht en kwantumfoutcorrigerende codes. Het holografische principe werd begin jaren '90 voor het eerst geïntroduceerd door Gerard 't Hooft en Leonard Susskind, maar sindsdien is er veel op voortgebouwd. Een van de meest cruciale ontwikkelingen was de ontdekking van de AdS/CFT-correspondentie door Juan Maldacena in 1997.

Ooguri en Harlow wilden een wiskundige stelling bewijzen over kwantumzwaartekracht, dus vereisten ze een nauwkeurige definitie van het holografische principe. Ze besloten de AdS/CFT-correspondentie over te nemen, omdat dit de enige manier was waarop ze dachten dat ze hun doel konden bereiken.

"Onze basistools zijn kwantumfoutcorrectie, de AdS/CFT-correspondentie, en kwantumveldentheorie, "Zei Harlow. "Waarschijnlijk het belangrijkste punt om hier over te brengen is dat hoewel AdS/CFT een mooie theorie van kwantumzwaartekracht is, het is niet de theorie van kwantumzwaartekracht in onze wereld. Het is een speelgoedmodel van het type dat natuurkundigen graag bestuderen (zoals de beroemde bolvormige koe). We geloven, echter, dat de lessen die we in dit speelgoedmodel leren, moeten worden overgedragen naar onze wereld, op voorwaarde dat we voorzichtig zijn."

Een paar jaar geleden, een andere onderzoeksgroep die ook Harlow omvatte, toonde aan dat holografie in kwantumzwaartekracht op dezelfde manier werkt als hoe kwantumfoutcorrectie werkt in kwantumcomputing. In de AdS/CFT-correspondentie, ruimtetijdgeometrie in de anti-de Sitter Space komt voort uit kwantumverstrengeling in de conforme veldentheorie. Harlow en zijn collega's toonden aan dat de opkomende geometrische gegevens, in feite, kwantumfoutcorrectiecodes, vanuit een CFT-standpunt.

Het inzicht uit dit eerdere onderzoek was essentieel om de stelling in de recente studie van de onderzoekers te bewijzen. In hun nieuwe studie Ooguri en Harlow ontdekten dat de manier waarop kwantumfoutcorrectie werkt, niet compatibel is met enige symmetrie. Dus, zodra kwantummechanica en zwaartekracht zijn samengevoegd, geen enkele symmetrie is exact.

"Over het algemeen werd aangenomen dat symmetrie een fundamenteel concept in de natuur is, "Zei Ooguri. "Veel natuurkundigen geloven dat er een prachtige reeks wetten in de natuur moet zijn, en die ene manier om schoonheid te kwantificeren is door symmetrie. Een deel van de symmetrie kan in onze wereld verborgen zijn (of 'spontaan verbroken, "in natuurkundige termen), maar ze kunnen zich manifesteren als we de natuur op een meer fundamenteel niveau bekijken. We hebben laten zien dat het geloof dat in het bovenstaande wordt uitgedrukt, verkeerd is. De natuurwetten op het meest fundamentele niveau, waar kwantummechanica en zwaartekracht verenigd zijn, hebben geen wereldwijde symmetrie."

De studie uitgevoerd door Ooguri en Harlow brengt belangrijke inzichten op het gebied van natuurkunde, het uitsluiten van de mogelijkheid van globale symmetrieën in een brede klasse van kwantumzwaartekrachttheorieën. Hun bevindingen hebben implicaties voor tal van studiegebieden, bijvoorbeeld het voorspellen van de instabiliteit van protonen.

"Onze bevindingen voorspellen dat het proton niet stabiel zou moeten zijn, "Zei Harlow. "Het is niet duidelijk, maar het voorspelt ook het bestaan ​​van magnetische monopolen:geïsoleerde objecten die magnetische lading dragen. Tot dusver, we hebben nog nooit zo'n object gezien, maar er zijn nog steeds mensen naar op zoek. Helaas, onze resultaten zijn niet sterk genoeg om te zeggen hoeveel monopolen zouden moeten bestaan, waar ze moeten zijn, of hoe lang we moeten wachten om een ​​protonverval te zien."

In hun toekomstige werk, Harlow en Ooguri willen kwantificeren hoe symmetrie wordt verbroken. Tot dusver, ze hebben alleen bewezen dat kwantumzwaartekracht geen symmetrie kan hebben zonder te verduidelijken hoe het uit elkaar wordt gehaald. Bijvoorbeeld, hun bevindingen suggereren dat het proton zou moeten vervallen, toch verduidelijken ze niet hoe het vergaat of hoe lang het kan leven voordat het dat doet. Dit zijn zeer belangrijke vragen, die de onderzoekers in hun toekomstig onderzoek hopen aan te pakken.

"Het Kavli Instituut voor de Fysica en Wiskunde van het Heelal aan de Universiteit van Tokyo, waarvan ik de regisseur ben, is betrokken bij het Hyper-Kamiokande-project dat zal worden gebouwd in de Kamioka-zinkmijn in het centrale berggebied in Japan, " Voegde Ooguri toe. "Een van de doelen van het project is om te zien of het proton vervalt en om dit te doen zullen onderzoekers een grote watertank in de mijn bouwen. Volgens onze stelling, de protonen zouden moeten vervallen. Maar, we kunnen onderzoekers niet vertellen hoe groot de watertanks moeten zijn om de protonen binnen een redelijke tijdsperiode te kunnen zien vervallen. Dit is een voorbeeld van waarom het van cruciaal belang zou zijn om te kwantificeren hoe symmetrie wordt verbroken. Daniel en ik hebben enig idee hoe we kunnen kwantificeren hoe symmetrie wordt verbroken en we gaan nu verder met ons onderzoek in deze richting."

© 2019 Wetenschap X Netwerk