研究人员证明了全息术对称性的限制

一对研究人员，一位在麻省理工学院(麻省理工学院)和另一位在加州理工学院(加州理工学院)和东京大学，最近研究了一系列关于量子引力对称性的旧猜想。具体的焦点猜想：(1)量子引力不允许全局对称; (2)对于规范对称，必须实现所有可能的费用; (3)内部压力表组必须紧凑。他们在“ 物理评论快报”上发表的论文表明，这些旧的假设属于反德西特/保形场理论(AdS-CFT)的对应关系。

“从历史上看，对称概念在物理学中发挥了重要作用，包括识别和制定自然界的基本规律，以及利用这些规律来理解和预测自然现象，如物质的动力学和阶段，”Hirosi Ooguri，其中一个进行这项研究的研究人员告诉Phys.org。“然而，有理论证据表明，一旦我们将重力和量子力学(现代物理学中的两个基本思想)结合起来，所有的全局对称性就会消失。”

在物理学中，对称性可以有两种：规范和全局。几十年来，研究人员提出了这样的观点，即量子引力不可能存在全局对称性，因为统一的引力和量子力学理论不允许任何对称性。这是一项具有重要影响的深刻主张。例如，它预测质子对于衰变成其他粒子是不稳定的。

“粒子物理学的标准模型具有两种对称性，因此我们预测全局的只能是近似的，”参与该研究的另一位研究员Daniel Harlow告诉Phys.org。“到目前为止，这个想法得到了一些间接支持，但没有令人信服的论点。在我们的论文中，我们在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。这种对应给出了我们最好的 - 了解量子引力理论，我们能够证明它不允许全局对称。“

在Ooguri和Harlow的论文之前，其他研究人员提出论据支持量子引力(量子力学和引力的统一)不能具有任何对称性的说法。尽管如此，这些论点往往存在逻辑上的差距或漏洞，例如未能解决一些重要案例(例如离散对称)。

“我们的新论文在AdS / CFT对应的背景下提供了这种主张的严格证明，其中量子引力以数学上精确的方式定义，并且我们以最一般的方式这样做，排除了量子的所有可能的全局对称性重力，“Ooguri说。

Ooguri和Harlow提出的证据基于两个重要思想：量子引力的全息原理和量子纠错码。全息原则最初是由Gerard't Hooft和Leonard Susskind在90年代早期引入的，但后来被广泛开发。其最重要的发展之一是Juan Maldacena在1997年发现了AdS / CFT通信。

Ooguri和Harlow希望证明关于量子引力的数学定理，因此他们需要精确定义全息原理。他们决定采用AdS / CFT通信，因为这是他们认为可以实现目标的唯一方式。

“我们的基本工具是量子误差校正，AdS / CFT对应和量子场理论，”Harlow说。“在这里传达的最重要的一点可能是，虽然AdS / CFT是一个美丽的量子引力理论，但它不是我们世界中量子引力的理论。它是物理学家喜欢研究的类型的玩具模型(如然而，我们相信，只要我们小心，我们在这个玩具模型中学到的经验教训应该延续到我们的世界。“

几年前，另一个同样包括哈洛的研究小组表明，全息术在量子引力方面的工作方式与量子纠错在量子计算中的工作方式类似。在AdS / CFT对应中，anti-de Sitter空间中的时空几何形状从共形场理论中的量子纠缠中出现。Harlow和他的同事表明，从CFT的角度来看，出现的几何数据实际上是量子纠错码。

先前研究的见解对于证明研究人员最近研究中的定理至关重要。在他们的新研究中，Ooguri和Harlow发现量子误差校正的工作方式与任何对称性都不相容。因此，一旦量子力学和引力合并，就没有对称性。

“人们普遍认为，对称性本质上是一个基本概念，”Ooguri说。“许多物理学家认为，自然界必定有一套漂亮的法则，量化美的一种方法是对称性。一些对称性可能隐藏在我们的世界中(或者在物理学术语中”自发破碎“)，但是如果我们从更基本的层面看待自然，它们就可能表现出来。我们表明上述表达的信念是错误的。量子力学和引力统一的最基本层面的自然法则没有全局对称性。“

由Ooguri和Harlow进行的研究为物理学领域带来了重要的见解，排除了在一大类量子引力理论中全局对称的可能性。他们的研究结果对许多研究领域都有影响，例如预测质子的不稳定性。

“我们的研究结果预测质子不应该稳定，”哈洛说。“这并不明显，但它也预测了磁单极子的存在：带有磁荷的孤立物体。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，我们的结果并不强烈足以说明应该存在多少单极子，它们应该存在多少，或者我们需要等多久才能看到质子衰变。“

在他们未来的工作中，Harlow和Ooguri想要量化对称性如何被打破。到目前为止，他们只是证明了量子引力不能具有任何对称性，而没有说明它是如何分开的。例如，他们的研究结果表明，质子应该衰变，但他们并没有澄清它是如何衰变的，也不会说明它可以活多久。这些是非常重要的问题，研究人员希望在未来的研究中提出这些问题。

“东京大学Kavli宇宙物理与数学研究所，我是其主任，参与了在日本中部山区的神冈锌矿建造的Hyper-Kamiokande项目，” Ooguri补充道。“该项目的目标之一是看看质子是否衰变并且做这个实验者将在矿井中建造一个大型水箱。根据我们的定理，质子应该衰变。但是，我们不能告诉实验者水有多大坦克应该让他们能够在一段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的一个例子至关重要。丹尼尔和我对如何量化对称的方式有一些想法 我们正在朝这个方向继续调查。“