Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике , А сигма - модель является теорией поля , которая описывает поле как точечная частица ограничивается движение на фиксированном многообразии. В качестве этого многообразия можно взять любое риманово многообразие , хотя чаще всего оно считается либо группой Ли, либо симметрическим пространством . Модель может квантоваться, а может и не быть. Примером неквантованной версии является модель Скирма ; его нельзя квантовать из-за нелинейностей степени больше 4. В общем, сигма-модели допускают (классические) топологические солитонные решения, например, Скирмиондля модели Skyrme. Когда сигма-поле связано с калибровочным полем, результирующая модель описывается теорией Гинзбурга – Ландау . Данная статья в первую очередь посвящена классической теории поля сигма-модели; соответствующая квантованная теория представлена ​​в статье « Нелинейная сигма-модель ».

Обзор [ править ]

Сигма-модель была введена 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 . [1] Модель послужила доминирующим прототипом спонтанного нарушения симметрии O (4) до O (3): три сломанных осевых генератора являются простейшим проявлением нарушения киральной симметрии , сохранившийся неразрушенный O (3) представляет изоспин .

В обычных настройках физики элементарных частиц поле обычно принимается как SU (N) или векторное подпространство частного произведения левого и правого киральных полей. В теориях конденсированного состояния поле считается 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 определены в терминах их инволюции , их касательное пространство естественным образом разбивается на подпространства четности и нечетности. Это расщепление помогает продвинуть размерной редукции в Калуцы-Клейна теорий.

В своей самой основной форме сигма-модель может рассматриваться как чисто кинетическая энергия точечной частицы; как поле, это просто энергия Дирихле в евклидовом пространстве.

В двух пространственных измерениях модель O (3) полностью интегрируема .

Определение [ править ]

Плотность лагранжиана сигма-модели может быть записана множеством различных способов, каждый из которых подходит для конкретного типа приложения. В простейшем и наиболее общем определении лагранжиан записывается как метрический след обратного образа метрического тензора на римановом многообразии . Для более полей над пространством - временем , это может быть записано в виде

где - метрический тензор на пространстве поля , а - производные на лежащем в основе пространственно-временном многообразии .

Это выражение можно немного распечатать. В качестве полевого пространства можно выбрать любое риманово многообразие . Исторически это «сигма» сигма-модели; исторически соответствующий символ здесь избегается, чтобы предотвратить столкновения со многими другими обычными использованиями в геометрии. Римановы многообразия всегда имеют метрический тензор . Дано атлас карт на поле пространства всегда может быть локально тривиальным , что дано в атласе, то можно написать карту , давая четкие локальные координаты на этот патч. 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 плоское, это просто обычный градиент скалярной функции (как и скалярное поле, с точки зрения самого себя). Точнее говоря,является раздел о расслоении в .

Пример: O (N) нелинейная сигма-модель [ править ]

Принимая в Кронекер , ИЭ скалярного скалярное произведение в евклидове пространства, один получает нелинейную модель сигмы. То есть запишите как единичный вектор в , так что с обычным евклидовым скалярным произведением. Тогда - сфера , в изометрии из которых являются группа вращений . Тогда лагранжиан можно записать как

При это континуальный предел изотропного ферромагнетика на решетке, т. Е. Классической модели Гейзенберга . Для это континуальный предел классической XY-модели . См. Также n-векторную модель и модель Поттса для обзоров эквивалентов модели решетки . Континуальный предел берется записью

как конечная разность на соседних участках решетки Тогда в пределе и после отбрасывания постоянных членов («объемная намагниченность»).

В геометрической записи [ править ]

Сигма-модель также может быть записана в более полных геометрических обозначениях, как расслоение слоев со слоями над дифференцируемым многообразием . Для данного участка зафиксируйте точку . Направляющая на - это карта касательных пучков.

принимая

где берется ортонормированный базис векторного пространства on и базис векторного пространства on . Является дифференциальной формой . Тогда действие сигма-модели - это просто обычный скалярный продукт на векторных k -формах.

где - произведение клина , а - звезда Ходжа . Это внутренний продукт двумя разными способами. В первом случае, учитывая любые две дифференцируемые формы в , двойственный по Ходжу определяет инвариантный скалярный продукт на пространстве дифференциальных форм, обычно записываемый как

Вышеупомянутое является внутренним произведением пространства квадратично интегрируемых форм, условно принимаемого за пространство Соболева. Таким образом, можно написать

Это делает явным и очевидным, что сигма-модель - это просто кинетическая энергия точечной частицы. С точки зрения многообразия поле является скаляром, поэтому его можно распознать просто обычным градиентом скалярной функции. Звезда Ходжа - это просто причудливое устройство для отслеживания формы объема при интеграции в искривленное пространство-время. В случае, если это плоский, его можно полностью игнорировать, поэтому действие

который является энергией Дирихля из . Классические экстремумы действия (решения уравнений Лагранжа ) - это те конфигурации поля, которые минимизируют энергию Дирихле . Другой способ преобразовать это выражение в более легко узнаваемую форму - это заметить, что для скалярной функции есть и поэтому можно также написать

где - оператор Лапласа – Бельтрами , т. е. обычный лапласиан, когда он плоский.

То, что в игре есть еще один , второй внутренний продукт, просто требует не забывать, что это вектор с точки зрения самого себя. То есть для любых двух векторов риманова метрика определяет внутренний продукт

Поскольку на локальных диаграммах он является векторным , там также берется внутренний продукт. Более подробно,

Напряжение между этими двумя внутренними продуктами можно сделать еще более явным, отметив, что

является билинейной формой ; это откат метрики Римана . Индивидуум может быть принят в качестве vielbeins . Плотность лагранжиана сигма-модели тогда равна

для метрики на. Учитывая эту склейку, можно интерпретировать как форму пайки ; более подробно это изложено ниже.

Мотивы и основные интерпретации [ править ]

Можно сделать несколько интерпретационных и основополагающих замечаний по поводу классической (неквантованной) сигма-модели. Во-первых, классическая сигма-модель может быть интерпретирована как модель невзаимодействующей квантовой механики. Второй касается интерпретации энергии.

Интерпретация как квантовая механика [ править ]

Это непосредственно следует из выражения

приведено выше. Принимая , функция может быть интерпретирована как волновая функция и ее лапласовской кинетической энергия этой волновой функции. Это просто некая геометрическая машина, напоминающая интегрироваться по всему пространству. Соответствующее квантово-механическое обозначение: В плоском пространстве лапласиан обычно записывается как . Собирая все эти части вместе, действие сигма-модели эквивалентно

что является просто общей кинетической энергией волновой функции с точностью до множителя . В заключение, 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. Взятие недостаточно для описания системы -частиц, поскольку частицам требуются различные координаты, которые не предоставляются базовым многообразием. Это можно решить, сделав копии базового коллектора.

Форма припоя [ править ]

Хорошо известно, что геодезическая структура риманова многообразия описывается уравнениями Гамильтона – Якоби . [2] В виде эскиза конструкция выглядит следующим образом. Оба и являются римановыми многообразиями; ниже написано для , то же самое можно сделать и для . Котангенс пучок , поставляется с координатными диаграммами , всегда может быть локально тривиальным , т.е.

Тривиализация дает канонические координаты на кокасательном расслоении. Учитывая метрический тензор на , определим гамильтонову функцию

где, как всегда, следует обратить внимание на то, что в этом определении используется обратная величина к мерке: как известно, геодезический поток на задается уравнениями Гамильтона – Якоби

и

Геодезический поток - это гамильтонов поток ; решения вышеупомянутого - геодезические многообразия. Заметим, кстати, что по геодезическим; параметр времени - это расстояние по геодезической.

Сигма - модель принимает импульсы в два многообразия и и припоев их вместе, в том , что это форма припоя . В этом смысле интерпретация сигма-модели как функционала энергии неудивительна; на самом деле это склейка двух функционалов энергии. Внимание: точное определение формы припоя требует, чтобы она была изоморфизмом; это может произойти только если и имеет то же самое реальное измерение. Кроме того, обычное определение формы припоя подразумевает группу Ли. Оба условия выполняются в различных приложениях.

Результаты по разным областям [ править ]

Пространство часто рассматривается как группа Ли , обычно SU (N) , в обычных моделях физики элементарных частиц, O (N) в теориях конденсированного состояния или как симметричное пространство в моделях супергравитации . Поскольку симметричные пространства определены в терминах их инволюции , их касательное пространство (то есть место, где живет) естественным образом разбивается на подпространства четной и нечетной четности. Это расщепление помогает продвинуть размерной редукции в Калуцы-Клейна теорий.

О группах Ли [ править ]

В частном случае будет группой Ли , то есть метрический тензор на группе Ли, формально называется тензор Картанна или форма Killing . Тогда лагранжиан можно записать как откат формы Киллинга. Обратите внимание, что форму Киллинга можно записать как след по двум матрицам из соответствующей алгебры Ли ; таким образом, лагранжиан также можно записать в форме, содержащей след. С небольшими изменениями его можно также записать как откат формы Маурера-Картана .

О симметричных пространствах [ править ]

Распространенный вариант сигма-модели - представить ее в симметричном пространстве . Типичным примером является хиральная модель , в которой продукт

«левого» и «правого» киральных полей, а затем строит сигма-модель на «диагонали»

Такое фактор-пространство является симметричным пространством, поэтому в общем случае можно взять, где - максимальная подгруппа , инвариантная относительно инволюции Картана . Лагранжиан по-прежнему записывается точно так же, как указано выше, либо в терминах возврата метрики в метрику, либо в виде возврата формы Маурера-Картана.

Обозначение трассировки [ править ]

В физике наиболее распространенное и общепринятое утверждение сигма-модели начинается с определения

Здесь - возврат формы Маурера-Картана для на многообразие пространства-времени. Это проекция на часть инволюции Картана с нечетной четностью. То есть, учитывая алгебру Ли из инволюция decompses пространства на нечетные и четные компоненты четности , соответствующих два собственных состояний инволюции. Тогда лагранжиан сигма-модели может быть записан как

Это сразу узнается как первый член модели Скирма .

Метрическая форма [ править ]

Эквивалентная метрическая форма этого состоит в том, чтобы записать групповой элемент как геодезическую элемента алгебры Ли . Базисные элементы алгебры Ли; являются структурными константами из .

Подсоединение этого непосредственно к вышесказанному и применение бесконечно малой формы формулы Бейкера – Кэмпбелла – Хаусдорфа быстро приводит к эквивалентному выражению

где теперь очевидно (пропорционально) форме Киллинга, а - контрольные точки, которые выражают "изогнутую" метрику в терминах "плоской" метрики . В статье о формуле Бейкера – Кэмпбелла – Хаусдорфа дается явное выражение для контрольных точек. Их можно записать как

где - матрица с матричными элементами .

Для сигма-модели на симметричном пространстве, в отличие от группы Ли, ограничиваются охватом подпространства, а не всего . Коллектор Ли на будет не находиться ; действительно, есть, и поэтому проекция все еще необходима.

Расширения [ править ]

Модель может быть расширена множеством способов. 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 также рассмотреть другую проекцию

где по-прежнему симметричное пространство соответствовало расщеплению . Этот дополнительный член можно интерпретировать как связь на пучке волокон (он трансформируется как калибровочное поле). Это то, что «осталось» после подключения . Его можно наделить собственной динамикой, написав

с . Обратите внимание, что дифференциал здесь просто «d», а не ковариантная производная; это не тензор энергии-импульса Янга-Миллса. Этот член сам по себе не является калибровочно-инвариантным; он должен быть взят вместе с частью связи, которая встраивается в , так что вместе взятые, теперь со связностью как его частью, вместе с этим членом образует полный калибровочно-инвариантный лагранжиан (который действительно имеет Янг- Миллс выражает это в развернутом виде).

Ссылки [ править ]

  1. ^ Джулиан С. Швингер, "Теория фундаментальных взаимодействий", Ann. Phys. 2 (407), 1957.
  2. ^ Юрген Йост (1991) Риманова геометрия и геометрический анализ, Springer
  • Гелл-Манн, М .; Леви, М. (1960), "Осевой векторный ток в бета-распаде", Il Nuovo Cimento , 16 : 705–726, Bibcode : 1960NCim ... 16..705G , doi : 10.1007 / BF02859738
  • Кетов, Сергей (2009). «Нелинейная сигма-модель» . Scholarpedia . 4 (1): 8508. Bibcode : 2009SchpJ ... 4.8508K . DOI : 10,4249 / scholarpedia.8508 .