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S-双対そうつい

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』

理論りろん物理ぶつりがくでは、S-双対そうつい(S-duality)は、2つの物理ぶつり理論りろん等価とうかのことで、この物理ぶつり理論りろん量子りょうしろんでもつる理論りろんでもよい。S-双対そうついは、計算けいさんすることがむずかしい理論りろんをより計算けいさんやす理論りろんむすびつけるので、理論りろん物理ぶつり計算けいさんするさい有益ゆうえきである。[1]

量子りょうしろんでは、S-双対そうついせいは、古典こてん電磁気でんじきがくられた事実じじつ、すなわち、電場でんじょう磁場じば交換こうかんしたマクスウェルの方程式ほうていしき不変ふへんであると事実じじつ一般いっぱんしたものである。量子りょうしろんもっとはやられたS-双対そうついれいひとつは、モントネン・オリーブの双対そうついせい英語えいごばん(Montonen-Olive duality)で、N=4 ちょう対称たいしょうヤン・ミルズ理論りろんばれる量子りょうしろんの 2つのバージョンを関係付かんけいづけている。アントン・カプスティン英語えいごばん(Anton Kapustin)とエドワード・ウィッテン(Edward Witten)の最近さいきん仕事しごとは、モントネン・オリーブの双対そうついせい幾何きかがくてきラングランズ対応たいおうばれる数学すうがく研究けんきゅうプログラムと密接みっせつ関係かんけいしていることをしめしている。[2] 量子りょうしろんでのもうひとつのS-双対そうつい実例じつれいは、サイバーグ双対そうつい英語えいごばん(Seiberg duality)で、N=1ちょう対称たいしょうヤン・ミルズ理論りろん英語えいごばん(N=1 supersymmetric Yang-Mills theory)とばれる 2つのバージョンの理論りろん関連付かんれんづける。

つる理論りろんにはおおくのS-双対そうついれいがある。これらのつる双対そうついせい英語えいごばん(string duality)の存在そんざいは、一見いっけんことなるようにえるつる理論りろん定式ていしきが、実際じっさい物理ぶつりてき等価とうかであることを意味いみする。このことは1990年代ねんだい中期ちゅうきにはすべての 5つの整合せいごうせいをもったちょうつる理論りろんすべてが、単一たんいつの 11次元じげんM-理論りろんばれる理論りろんことなる極限きょくげんとして実現じつげんされることをみちびいた。[3]

オーバービュー

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量子りょうしろんつる理論りろんでは、結合けつごう定数ていすう理論りろん相互そうご作用さようつよさを制御せいぎょする数値すうちである。たとえば、重力じゅうりょくつよさはニュートン定数ていすうばれる数値すうちかれ、重力じゅうりょくのニュートンの法則ほうそくなかや、アルバート・アインシュタイン(Albert Einstein)の一般いっぱん相対そうたいろん方程式ほうていしきなかにもあらわれる。同様どうように、電磁場でんじばつよさは、結合けつごう定数ていすうによりあらわされ、ひとつの陽子ようしびている電荷でんか関係かんけいしている。

量子りょうしろんつる理論りろん観測かんそく可能かのうりょう計算けいさんするためには、物理ぶつり学者がくしゃ典型てんけいとしては摂動せつどうろん(perturbation theory)の方法ほうほう適用てきようする。摂動せつどうろんでは、発生はっせいする様々さまざま物理ぶつりてき過程かていかくりつ決定けっていするかくりつ振幅しんぷく(probability amplitude)とばれるりょうが、無限むげん級数きゅうすうとしてあらわされ、そこでは各々おのおのこう結合けつごう定数ていすう べき比例ひれいする。

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このようなべき級数きゅうすう展開てんかい意味いみつためには、結合けつごう定数ていすうが 1 よりもちいさい必要ひつようがあり、したがって たか次数じすうのべきは無視むしできるほどにちいさく、有限ゆうげんとなる。結合けつごう定数ていすうが 1 よりもおおきいと、このこうはどんどんとおおきくなり、展開てんかい意味いみのない無限むげんだいをもたらす。この場合ばあい理論りろんは「つよ結合けつごう」といわれ、摂動せつどうろん予言よげんをすることに使つかうことができない。

ある理論りろんたいして、S-双対そうついつよ結合けつごう定数ていすう理論りろんでの計算けいさんよわ結合けつごう定数ていすう理論りろんでのことなる計算けいさん変換へんかんすることで、計算けいさんすすめる方法ほうほう提供ていきょうする。S-双対そうついは、物理ぶつりがく双対そうついせい英語えいごばんという一般いっぱんてきかんがかた特別とくべつれいである。双対そうついせいということばは、2つの一見いっけんことなる物理ぶつりけい自明じめい方法ほうほう等価とうかであることがかることを意味いみする。2つの理論りろん双対そうつい関係かんけいにあると、ひとつの理論りろんからなんらかの方法ほうほうでもうひとつの理論りろんのようにえる結果けっかへと変換へんかんできることを意味いみする。このときに、2つの理論りろんはこの変換へんかんしたたがいに双対そうついであるという。べつないいかたをすると、2つの理論りろんおな現象げんしょう数学すうがくてきにはことなる記述きじゅつとなっているともえる。

S-双対そうついは、結合けつごう定数ていすう 理論りろんを、結合けつごう定数ていすう 等価とうか理論りろん関係付かんけいづけるので、有益ゆうえきである。このように、S-双対そうついは、つよ結合けつごう理論りろん(そこでは結合けつごう定数ていすう が 1 よりも非常ひじょうおおきい)をじゃく結合けつごう理論りろん(そこでは結合けつごう定数ていすう が 1 よりもちいさく、計算けいさん可能かのう)へと関連付かんれんづける。この理由りゆうから、S-双対そうついは、強弱きょうじゃく双対そうついせいばれる。

量子りょうしろんでのS-双対そうつい

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マクスウェル方程式ほうていしき対称たいしょうせい

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古典こてん物理ぶつりがくでは、電場でんじょう磁場じばいはマクスウェル方程式ほうていしきとしてられる一連いちれん方程式ほうていしき記述きじゅつされる。ベクトル解析かいせき言葉ことばでは、電荷でんか電流でんりゅうもない空間くうかん領域りょういきなかにいることを前提ぜんていとすると、マックスウェル方程式ほうていしきつぎのようにかれる。[4]

ここに 電場でんじょうあらわベクトル(さらにくわしくは、ベクトルじょうで、空間くうかんないことなるてんでは変化へんかしうる)で、磁場じばあらわすベクトルであり、時間じかんひかり速度そくどである。これらの方程式ほうていしき使つかわれているほかのシンボルは、ベクトル解析かいせきなか勾配こうばい (ベクトル解析かいせき)("grad"という記号きごう)、発散はっさん (ベクトル解析かいせき)("div"という記号きごう)、回転かいてん (ベクトル解析かいせき)("curl"という記号きごう)を参照さんしょうのこと。

これらの方程式ほうていしき[5]重要じゅうよう性質せいしつは、電場でんじょう 磁場じば へ、磁場じば 電場でんじょう 同時どうじえる変換へんかんのしたで、不変ふへんであることである。

いかえると、マクスウェル方程式ほうていしき英語えいごばんような電場でんじょう磁場じばあたえられると、これらの電場でんじょう磁場じばえても、あたらしいがマクスウェル方程式ほうていしきかいふたたあたえるようなあたらしい物理ぶつりてき設定せっていすることが可能かのうとなる。

この状況じょうきょうが、量子りょうしろんなかのS-双対そうついもっと基本きほんてき事項じこうである。実際じっさい以下いか説明せつめいするように、量子りょうしろんのフレームワークには、このマックスウェル方程式ほうていしき対称たいしょうせい直接ちょくせつ一般いっぱんしたS-双対そうついのバージョンが存在そんざいする。

モントネン・オリーブ双対そうついせい

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量子りょうしろんでは、電場でんじょう磁場じば電磁場でんじばばれるひとつの実在じつざい統一とういつされていて、このゲージ理論りろんあるいは、ヤン=ミルズ理論りろんばれるじょう量子りょうしろん特別とくべつなタイプにより記述きじゅつされる。ゲージ理論りろんでは、物理ぶつりじょうたか対称たいしょうせい度数どすうっていて、数学すうがくてきにはリーぐんかんがえを使つか理解りかいすることができる。このリーぐんゲージぐんとしてられている。電磁場でんじばは、ゲージぐんU(1)対応たいおうするもっと単純たんじゅんなゲージ理論りろんにより記述きじゅつされるが、しかしのよりざつアーベルてきゲージ理論りろん存在そんざいする。[6]

マクスウェル方程式ほうていしきなか対称たいしょう相互そうご作用さようする電場でんじょう磁場じばのゲージ理論りろん類似るいじぶつ存在そんざいするかかをうという 、自然しぜん疑問ぎもんがある。1970年代ねんだいまつにこの回答かいとうが、クラウス・モントネン英語えいごばん(Claus Montonen)とダヴィッド・オリーブ英語えいごばん[7] によりあたえられた。この仕事しごとは、よりはや段階だんかいピーター・ゴダード (物理ぶつり学者がくしゃ)英語えいごばん(Peter Goddard)、ジャン・ヌイツ英語えいごばん(Jean Nuyts)、オリーブによる仕事しごと[8]仕事しごともとづくものであった。かれらの仕事しごとは、現在げんざいモントネン・オリーブの双対そうついせい英語えいごばんとしてられてるS-双対そうついれいをもたらした。モントネン・オリーブの双対そうついせいは、N=4 ちょう対称たいしょうヤン・ミルズ理論りろんばれるゲージ理論りろん非常ひじょう特殊とくしゅなタイプに適用てきようされ、このことは 2つのその理論りろん正確せいかく意味いみ等価とうかではないかということをっている。[1] 理論りろんひとつがゲージぐん っていると、双対そうつい理論りろんはゲージぐん っている。ここに 一般いっぱんには とはことなるラングランズ双対そうついぐんあらわしている。[9]

量子りょうしろん重要じゅうようりょうは、複素ふくそされた結合けつごう定数ていすうである。これはつぎ公式こうしきにより定義ていぎされる複素数ふくそすうである。[10]

ここに、テータかく英語えいごばんで、理論りろん定義ていぎするラグラジアンあらわれるりょうであり[11]結合けつごう定数ていすうである。たとえば、電磁場でんじば記述きじゅつするヤン=ミルズ理論りろんでは、この数値すうち たん陽子ようしびている電荷でんか である。[12] 2つの理論りろんのゲージぐんえにくわえて、モントネン・オリーブの双対そうついせいは、複素ふくそされた結合けつごう定数ていすう 理論りろんを、複素ふくそされた結合けつごう定数ていすう 理論りろん変換へんかんする。[10]

ラングランズプログラムとの関係かんけい

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幾何きかがくてきラングランズ対応たいおう(geometric Langlands correspondence)は、うえしめした楕円だえん曲線きょくせんのような代数だいすう曲線きょくせん付随ふずいする抽象ちゅうしょうてき幾何きかがくてき対象たいしょうあいだ関係かんけいである。

数学すうがくでは、古典こてんてきラングランズ対応たいおうは、かずろん表現ひょうげんろんとしてられている数学すうがく分野ぶんや関連かんれんされる予想よそう結果けっかあつまりである。[13] ロバート・ラングランズ(Robert Langlands)により1960年代ねんだいおそくに、ラングランズ対応たいおう谷山たにやま志村しむら予想よそうというようなかずろん重要じゅうよう予想よそう関連かんれんしている。これは特別とくべつ場合ばあいとしてフェルマーの最終さいしゅう定理ていり特別とくべつ場合ばあいとしてっている。[13]

かずろんではラングランズ対応たいおう重要じゅうようであるにもかかわらず、かずろん脈絡みゃくらくでのラングランズ対応たいおう確立かくりつ非常ひじょう困難こんなんである。[13] 結果けっかとして、幾何きかがくてきラングランズ対応たいおうとしてられていることに関連かんれんする予想よそう仕事しごとをしている数学すうがくしゃもいる。これは、元来がんらいのバージョンにあらわれるすうたい函数かんすうたいえることで、代数だいすう幾何きかがくのテクニックを適用てきようして、古典こてんてきなラングランズ対応たいおう幾何きかがくてきさい定式ていしきすることである。[14]

2007ねんからのアントン・カプスティン英語えいごばん(Anton Kapustin)とエドワード・ウィッテン(Edward Witten)は、幾何きかがくてきラングランズ対応たいおうがモントネン・オリーブ双対そうついせい数学すうがくてき記述きじゅつなすことができることをしめした。[15] S-双対そうつい関連付かんれんづけられた 2つのヤン=ミルズ理論りろんからはじめて、カプスティンとウィッテンは、2次元じげん時空じくううち量子りょうしろんのペアを構成こうせいすることが可能かのうであることをしめした。なにがこの次元じげん簡約かんやく英語えいごばん(dimensional reduction)がD-ブレーン(en:D-branes)とばれる物理ぶつりてき対象たいしょうとなるのかを分析ぶんせきすることにより、かれらは幾何きかがくてきラングランズ対応たいおう数学すうがくてき要素ようそ再現さいげんできることをしめした。[16] かれらの仕事しごとは、ラングランズ対応たいおう量子りょうしろんのS-双対そうつい密接みっせつ関連かんれんしていて、双方そうほう対象たいしょう有効ゆうこう適用てきようできることをしめした。[13]

サイバーグ双対そうついせい

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もうひとべつ量子りょうしろんでのS-双対そうつい実例じつれいは、サイバーグ双対そうついせい英語えいごばんであり、1995ねんごろ最初さいしょナタン・サーバーグ(Nathan Seiberg)により導入どうにゅうされた[17]。モントネン・オリーブ双対そうついせいとはことなり、4次元じげん時空じくうでの最大さいだいちょう対称たいしょうせいゲージ理論りろんの 2つのバージョンを関係付かんけいづける。サイバーグ双対そうついせいは、よりちいさなちょう対称たいしょうせいN=1ちょう対称たいしょうせいゲージ理論りろん英語えいごばん(N=1 supersymmetric gauge theories)を関連付かんれんづける。サイバーグ双対そうついせいあらわれる 2つの N=1 理論りろんは、同一どういつではないが、なが距離きょりではおな物理ぶつり生成せいせいする。モントネン・オリーブ双対そうついせいのように、サイバーグ双対そうついせい電場でんじょう磁場じばえるマックスウェル方程式ほうていしき対称たいしょうせい一般いっぱんしたものである。

つる理論りろんなかのS-双対そうつい

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つる理論りろんのダイアグラム、黄色おうしょくせんがS-双対そうついしめしている。青色あおいろせんT-双対そうついしめしている。

1990年代ねんだい中期ちゅうきつる理論りろん物理ぶつり学者がくしゃたちは、別々べつべつ理論りろんのバージョンは 5つあるとしんじていた。すなわち、タイプ I英語えいごばん, タイプ IIAタイプ IIBと、2つのヘテロつる理論りろんSO(32)のタイプとE8×E8のタイプ)である。ことなるタイプの理論りろんにはことなるタイプのつるがあり、ていエネルギーでの粒子りゅうしことなる対称たいしょうせいしめす。

1990年代ねんだい中期ちゅうき物理ぶつり学者がくしゃたちは、これらの 5つの理論りろん実際じっさいは、高度こうど自明じめい双対そうついせい関連付かんれんづけられていることにがついた。これらの双対そうついせいのうちのひとつがS-双対そうついである。つる理論りろんでのS-双対そうつい存在そんざいは、最初さいしょは、1994ねんアショク・セン英語えいごばん(Ashoke Sen)によって提案ていあんされた[18]結合けつごう定数ていすう つタイプ IIBのつる理論りろんが、結合けつごう定数ていすう 自分じぶん自身じしんのタイプ IIBのつる理論りろんにS-双対そうつい自己じこ双対そうつい)をとおして等価とうかであることをしめした。同様どうように、結合けつごう定数ていすう つタイプ Iのつる理論りろんは、結合けつごう定数ていすう つ SO(32) のタイプのヘテロつる理論りろん等価とうかであることをしめした。

それまでは、これらの双対そうついせい存在そんざいは 5つのつる理論りろん実際じっさいはすべてことなる理論りろんであったが、1995ねんみなみカリフォルニア大学だいがくでのつる理論りろんのコンファレンスで、エドワード・ウィッテンはこれらすべての 5つのつる理論りろんM-理論りろんとしてられる単一たんいつ理論りろんことなる極限きょくげんであるとうおどろくべき示唆しさおこなった[19]。ウィッテンの提案ていあんは、タイプ IIAとタイプ E8×E8 のヘテロつる理論りろん密接みっせつに 11次元じげんちょう重力じゅうりょく理論りろんばれる重力じゅうりょく理論りろん関係かんけいしているという見方みかた基礎きそとしている。かれ発言はつげんは、だいちょうつる理論りろん革命かくめい英語えいごばん最盛さいせいをきずきあげた。

関連かんれん項目こうもく

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脚注きゃくちゅう

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  1. ^ a b Frenkel 2009, p.2
  2. ^ Kapustin and Witten 2007
  3. ^ Zwiebach 2009, p.325
  4. ^ Griffiths 1999, p.326
  5. ^ Griffiths 1999, p.327
  6. ^ ゲージ理論りろん基礎きそふく一般いっぱん量子りょうしろん入門にゅうもんしょとして、Zee 2010を参照さんしょうのこと。
  7. ^ Montonen と Olive 1977
  8. ^ Goddard, Nuyts, and Olive 1977
  9. ^ Frenkel 2009, p.5
  10. ^ a b Frenkel 2009, p.12
  11. ^ Frenkel 2009, p.12
  12. ^ Frenkel 2009, p.2
  13. ^ a b c d Frenkel 2007
  14. ^ Frenkel 2007
  15. ^ Kapustin と Witten 2007
  16. ^ Aspinwall et al. 2009, p.415
  17. ^ Seiberg 1995
  18. ^ Sen 1994
  19. ^ Witten 1995

参考さんこう文献ぶんけん

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  • Aspinwall, Paul; Bridgeland, Tom; Craw, Alastair et al., eds (2009). Dirichlet Branes and Mirror Symmetry. American Mathematical Society. ISBN 978-0-8218-3848-8 
  • Frenkel, Edward (2009). “Gauge theory and Langlands duality”. Seminaire Bourbaki. 
  • Griffiths, David (1999). Introduction to Electrodynamics. New Jersey: Prentice-Hall 
  • Witten, Edward (13–18 March 1995). "Some problems of strong and weak coupling". Proceedings of Strings '95: Future Perspectives in String Theory. World Scientific.
  • Zwiebach, Barton (2009). A First Course in String Theory. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-88032-9