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¿Qué es la teoría de Chern-Simons?

¿Qué es la teoría de Chern-Simons? He leído la wikipedia entrada pero es bastante físico y no he sido capaz de entender lo que es la teoría de Chern-Simons en términos matemáticos.

Se supone que la teoría de Chern-Simons es una especie de TQFT. ¿Pero qué tipo de TQFT exactamente? Cuando los matemáticos dicen que es una TQFT, ¿significa esto que es un cierto tipo de functor desde una cierta categoría de bordismo a una cierta categoría objetivo? Si es así, ¿de qué tipo de functor se trata? ¿Qué tipo de categoría de bordismo es? ¿Qué tipo de categoría de destino es? ¿Cómo se define exactamente el functor?

Además, por asistir a charlas de Michael Freeman, sé que la teoría de Chern-Simons se supone que describe algunos aspectos del efecto Hall cuántico fraccionario. ¿Cómo funciona esto? ¿Cómo puedo tomar algún tipo de cálculo de Chern-Simons en un colector de 3 (o 4) y extraer de él algún tipo de predicción física sobre algún gas de electrones 2d? También he oído que Witten ha interpretado varios invariantes de nudo como el polinomio de Jones en términos de la teoría de Chern-Simons. ¿Significa esto que el polinomio de Jones de un nudo tiene una interpretación física? Si es así, ¿cuál es?

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orange Puntos 106

No estoy seguro de decir nada que no esté en nLab, pero déjame intentar una visión de pájaro. Una teoría cuántica está "mayormente especificada" por una acción, y la teoría CS en $2+1$ dimensiones con el grupo $G$ tiene como acción el funcional de Chern-Simons (proviene de los términos de frontera de las clases características) sobre el espacio de conexiones en algún $3$ de los colectores. Hay un parámetro, y se obtiene una teoría bien definida siempre que el parámetro sea una raíz de la unidad. Dado que esta teoría no requiere una métrica de fondo u otra geometría para definirse, cualquier cálculo en la teoría debería en principio ser invariante topológico del colector (la vida se complica en los detalles, pero prácticamente todo lo que hay que añadir es esta información extra de biframación para que sea correcto). Dado que las partículas son, a grandes rasgos, representaciones, una secuencia de partículas que interactúan y se mueven unas alrededor de otras en el espacio (un $2$ -manifold aquí) trazará como una película bucles enlazados etiquetados por representaciones en el espaciotiempo (a $3$ -manifold). El valor de la expectativa de esta secuencia de interacciones (aproximadamente la probabilidad de ocurrencia) es el valor del polinomio de Jones en ese valor de $q$ (Los que han intentado hacer las diversas normalizaciones de los parámetros en la alineación de la literatura física y matemática se han vuelto locos: ¡no lo intenten en casa! Es bastante misterioso por qué estos valores se combinan con un polinomio). El valor de la función de partición para una variedad ordinaria (que técnicamente no debería tener significado físico, ya que se supone que hay que dividir por ella, pero te está diciendo algo sobre el operador de evolución del tiempo, que es constante porque es topológicamente invariante).

Todo eso debe ser porque la forma natural de construir una teoría a partir de la acción es la integral de trayectoria, que es una heurística no rigurosa. La respuesta matemática a esto es, en este caso, la TQFT axiomática. El razonamiento heurístico sostiene que los bloques de construcción básicos de la teoría deben tener ciertas propiedades que los especifiquen de manera única, y entonces se pueden construir explícitamente tales objetos a partir de, digamos, grupos cuánticos (NO sé cómo obtener los grupos cuánticos mismos a partir de la física) y demostrar que satisfacen las propiedades necesarias. A partir de ellos puedes calcular funciones de partición y expectativas a tu gusto.

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Jon Galloway Puntos 320

Algunas buenas referencias son los documentos de Dan Freed y el libro La geometría y la física de los nudos por Michael Atiyah. Pero la mejor respuesta a tu pregunta está, con mucho, en el artículo de Witten "Quantum field theory and the Jones polynomial", Communications in Mathematical Physics, 1989 vol. 121 (3) pp. 351-399, MR0990772.

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Chad Cooper Puntos 131

¿Has leído el Entrada de nLab ? Eso podría responder a algunas de sus preguntas.

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TY1 Puntos 71

No sé los matemáticos, pero cuando los físicos dicen que es una TQFT, sólo quieren decir que la teoría no depende de la elección de la métrica. Se puede ver fácilmente que la acción de Chern-Simons no tiene métrica. Por lo tanto, es una TQFT.

Sobre tu pregunta del efecto Hall cuántico fraccionario, puedes consultar el libro de Zee "Quantum Field Theory in a Nutshell", Parte VI - Field Theory and Condensed Matter. Es una buena introducción.

Sobre tu última pregunta, Witten demostró que los valores de expectativa del bucle de Wilson de la teoría de Chern-Simons están dados por polinomios invariantes de enlace. En la teoría del campo de la materia condensada, el bucle de Wilson está relacionado con la conductividad. Así es como los invariantes de enlace están relacionados con los observables físicos. Hay algunos buenos libros sobre estos temas. Recomiendo "Condensed matter field theory" de Altland & Simons y "Field Theories of Condensed Matter Physics" de Fradkin.

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