麻省理工学院(MIT)和加州理工学院(Caltech)以及东京大学研究人员研究了一组关于量子引力对称性的老猜想。具体猜想：
(1)量子引力不允许全局对称性；
(2)对于规范对称，必须实现所有可能的电荷；
(3)内规组必须紧凑。
研究人员发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的论文表明，这些旧假设在反德西特/保角场理论(AdS-CFT)的对应关系中成立。开展这项研究的研究人员之一Hirosi Ooguri说：从历史上看，对称的概念在物理学中扮演着重要角色。
无论是在确定和形成自然的基本定律，还是在利用这些定律来理解和预测自然现象，比如动力学和物质的相位。然而，有理论证据表明，一旦我们把引力和量子力学(现代物理学的两个基本概念)结合起来，所有的全息对称性都消失了。
在物理学中，对称可以有两种：规范对称和全局对称。几十年来，研究人员一直提出，在量子引力中不应该存在全局对称性，因为引力和量子力学的统一理论不允许任何对称性。这是一个深刻的主张，具有重要的后果。
例如，它预测质子在衰变为其他粒子时是不稳定的，参与这项研究的另一位研究员丹尼尔哈洛(Daniel Harlow)说：粒子物理学的标准模型具有两种对称性，所以我们预测，全息对称性只能是近似的。到目前为止，这个想法得到了一些间接的支持，但没有令人信服的论据。在研究论文中，在AdS/CFT通信的特殊情况下给出了我们认为相当有说服力的论据。这种对应关系给出了我们最理解的量子引力理论，能够证明它不允许全息对称。
在研究人员发表该论文之前，其他研究人员提出了支持量子引力(量子力学和引力的统一)不可能有任何对称性的论点。尽管如此，这些论点经常出现逻辑上的漏洞，例如未能解决一些重要的情况(如离散对称)。Ooguri说：我们的新论文在AdS/CFT通信的背景下为这一说法提供了一个严格证明。在AdS/CFT通信中，量子引力以数学上精确的方式定义，我们已经用最普遍的方式定义了量子引力，排除了量子引力中所有可能的全息对称性。
（博科园-图示）这张图显示了研究人员反对全息对称性论点的实质，研究人员假设存在一种全息对称性并且图中央物体在对称性的作用下带电，然后证明这需要物体在阴影的灰色区域，而事实并非如此，这就是反证。图片：Harlow & Ooguri
提出的证明基于两个重要思想：量子引力的全息原理和量子纠错码。全息原理最初是由杰拉德·t·霍夫特和伦纳德·苏斯金德在90年代初提出，但后来被广泛应用。其中最重要的进展之一是胡安•马尔达塞纳(Juan Maldacena)发现的AdS/CFT通信。Ooguri和Harlow希望证明量子引力的数学定理，因此他们需要对全息原理的精确定义。决定采用AdS/CFT的通信方式，因为这是他们觉得能够实现目标的唯一途径，基本工具是量子误差校正、AdS/CFT通信和量子场论。
也许这里要传达的最重要的一点是，尽管AdS/CFT是一个美丽的量子引力理论，但它并不是我们这个世界的量子引力理论。这是一个物理学家喜欢研究的玩具模型(比如著名的球形牛)。然而，研究人员相信，只要我们小心谨慎，能从这个玩具模型中学到的经验教训。几年前，另一个包括哈洛在内的研究小组表明，全息术在量子引力中起作用的方式与量子计算中量子误差修正方式类似。在AdS/CFT通信中，反德西特空间中的时空几何是从保角场理论中的量子纠缠中产生。
研究人员证明，从CFT的角度来看，涌现的几何数据实际上是量子纠错码。在新研究中，要证明这一定理，必须从先前的研究中得到启示。在新研究中，Ooguri和Harlow发现量子纠错的工作方式与任何对称性都不相容。因此，一旦量子力学和重力融合，就没有对称是精确的。人们普遍认为对称性是自然界的一个基本概念，许多物理学家认为，自然界一定存在一套美丽的定律，而量化美丽的一种方法就是通过对称性。一些对称性可能隐藏在我们的世界中(或者用物理学术语来说是“自发破坏”)。
但如果我们从更基本的层面观察自然，它们可能会显现出来。研究人员证明了上述观点是错误的，在最基本的层面上，量子力学和引力是统一的，自然法则没有全局对称性。由Ooguri和Harlow进行的这项研究为物理学领域带来了关键洞见，排除了在广泛的量子引力理论中存在全息对称性的可能性。
其发现对许多领域的研究都有意义，例如预测质子的不稳定性。研究结果预测，质子不应该是稳定的。这并不明显，但它也预测了磁单极子的存在：携带磁荷的孤立物体。到目前为止，我们从未见过这样的物体，但人们仍在寻找它们。
不幸的是，研究结果还不足以说明应该存在多少个单极子，它们应该在哪里，或者我们要等多久才能看到质子衰变。在未来的研究工作中，Harlow和Ooguri想量化对称性是如何被打破的。到目前为止，只是证明了量子引力不可能有任何对称性，除非阐明它是如何被分离的。例如，他们的发现表明质子应该衰变，但是他们并没有阐明它是如何衰变，或者在衰变之前它能存在多久，这些都是非常重要的问题，研究人员希望在未来的研究中解决。
Ooguri说：我是东京大学宇宙物理和数学Kavli研究所的所长，该研究所参与了将在日本中部山区Kamioka锌矿建立的hyhykiokande项目。这个项目的目的之一是看看质子是否会衰变，为了做这个实验，研究人员将在矿井中建造一个大型水箱。根据研究的定理，质子应该衰变。但是，我们不能告诉实验人员水箱的大小，使他们能够在合理的时间内看到质子衰变。这就是为什么量化对称性如何被破坏是至关重要的一个例子。
博科园｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.191601
发表于 2019-10-31 04:00
收藏
分享