Введение
Низкоэнергетические теории, несовместимые с теорией струн.
В физике термин «болотная низина» (swampland) относится к эффективным низкоэнергетическим физическим теориям, которые несовместимы с квантовой гравитацией. Это противопоставляется так называемому «ландшафту теории струн», который, как известно, совместим с теорией струн, которая считается непротиворечивой квантовой теорией гравитации. Иными словами, болотная низина – это множество кажущихся непротиворечивыми теорий, не имеющих непротиворечивого ультрафиолетового завершения при добавлении гравитации. Развитие теории струн также показывает, что ландшафт ложных вакуумов теории струн огромен, поэтому естественно спросить, насколько обширен ландшафт, насколько это допускается аномально-свободными эффективными полевыми теориями. Программа Swampland направлена на определение границ теорий квантовой гравитации путем выявления универсальных принципов, общих для всех теорий, совместимых с гравитационным ультрафиолетовым завершением. Программа была инициирована Камруном Вафой, который утверждал, что теория струн предполагает, что болотная низина на самом деле намного больше, чем ландшафт теории струн. Квантовая гравитация отличается от квантовой теории поля несколькими ключевыми аспектами, включая локальность и разделение ультрафиолетового и инфракрасного (УФ/ИК). В квантовой гравитации локальная структура наблюдаемых является скорее возникающей, чем фундаментальной. Конкретным примером возникновения локальности является AdS/CFT, где описание локальной квантовой теории поля в объеме является лишь приближением, возникающим в определенных пределах теории. Более того, в квантовой гравитации считается, что различные топологии пространства-времени могут вносить вклад в гравитационный интеграл по траекториям, что предполагает, что пространство-время возникает из-за доминирования одной седловой точки. Кроме того, в квантовой гравитации УФ и ИК тесно связаны. Эта связь проявляется в термодинамике черных дыр, где полуклассическая ИК-теория вычисляет энтропию черных дыр, которая отражает плотность гравитационных УФ-состояний, известных как черные дыры. Помимо общих аргументов, основанных на физике черных дыр, развитие теории струн также предполагает, что существуют универсальные принципы, общие для всех теорий в ландшафте струн. Гипотезы о болотной низине – это набор предполагаемых критериев для теорий в ландшафте квантовой гравитации. Эти критерии часто мотивированы физикой черных дыр, универсальными закономерностями в теории струн и нетривиальной самосогласованностью между собой.
In physics, the term swampland refers to effective low energy physical theories which are not compatible with quantum gravity. This is in contrast with the so called "string theory landscape" that are known to be compatible with string theory, which is believed to be a consistent quantum theory of gravity. In other words, the Swampland is the set of consistent looking theories with no consistent ultraviolet completion with the addition of gravity. Developments in string theory also suggest that the string theory landscape of false vacuum is vast, so it is natural to ask if the landscape is as vast as allowed by anomaly free effective field theories. The Swampland program aims to delineate the theories of quantum gravity by identifying the universal principles shared among all theories compatible with gravitational UV completion. The program was initiated by Cumrun Vafa who argued that string theory suggests that the Swampland is in fact much larger than the string theory landscape. Quantum gravity differs from quantum field theory in several key ways, including locality and UV/IR decoupling. In quantum gravity, a local structure of observables is emergent rather than fundamental. A concrete example of the emergence of locality is AdS/CFT, where the local quantum field theory description in bulk is only an approximation that emerges within certain limits of the theory. Moreover, in quantum gravity, it is believed that different spacetime topologies can contribute to the gravitational path integral, which suggests that spacetime emerges due to one saddle being more dominant. Moreover, in quantum gravity, UV and IR are closely related. This connection is manifested in black hole thermodynamics, where a semiclassical IR theory calculates the black hole entropy, which captures the density of gravitational UV states known as black holes. In addition to general arguments based on black hole physics, developments in string theory also suggests that there are universal principles shared among all the theories in the string landscape. The swampland conjectures are a set of conjectured criteria for theories in the quantum gravity landscape. The criteria are often motivated by black hole physics, universal patterns in string theory, and non trivial self consistencies among each other.
Нет глобальной гипотезы о симметрии
Предположение об отсутствии глобальной симметрии утверждает, что любая симметрия в квантовой гравитации либо нарушена, либо калибровочна. Иными словами, в квантовой гравитации нет случайных симметрий. Изначальная мотивация для этого предположения связана с черными дырами. Излучение Хокинга типичной черной дыры чувствительно только к зарядам, которые можно измерить вне черной дыры, то есть к зарядам, связанным с калибровочными симметриями. Поэтому считается, что процесс формирования и испарения черной дыры нарушает любое сохранение, не защищенное калибровочной симметрией. Предположение об отсутствии глобальной симметрии также может быть выведено из соответствия AdS/CFT в пространстве AdS.
Обобщение на симметрии высшей формы
Современное понимание глобальных и калибровочных симметрий позволяет естественное обобщение гипотез об отсутствии глобальных симметрий на симметрии высших форм. Обычная симметрия (симметрия 0-й формы) – это отображение, действующее на точечные операторы. Например, свободное комплексное скалярное поле обладает симметрией, которая действует на оператор как , где – константа. Можно использовать эту симметрию для сопоставления оператора любому элементу симметрии и гиперповерхности кодименсиональности 1, которая отображает любой заряженный локальный оператор, например, в , если точка заключена (или связана) внутри . По определению, действие оператора не изменяется при непрерывной деформации , пока она не достигнет заряженного оператора. Благодаря этой особенности оператор называется топологическим оператором. Если алгебра, управляющая правилом композиции операторов симметрии, содержит элемент без обратного, соответствующая симметрия называется неинвертируемой. Вышеуказанные определения можно обобщить на заряженные операторы более высокой размерности. Коллекция топологических операторов кодименсиональности , которые действуют нетривиально на операторы размерности и замкнуты относительно композиции, называется симметрией -й формы. Компактификация теории высшей размерности с симметрией -й формы на -мерном торе может отобразить симметрию высшей формы в симметрию -й формы в теории более низкой размерности. Поэтому считается, что глобальные симметрии высших форм также исключены из квантовой гравитации. Следует отметить, что калибровочная симметрия не удовлетворяет этому определению, поскольку в процессе калибровки любой локальный заряженный оператор исключается из физического спектра.
Кобордизм
Глобальные симметрии тесно связаны с законами сохранения. Гипотеза об отсутствии глобальных симметрий по сути утверждает, что любой закон сохранения, не защищенный калибровочной симметрией, может быть нарушен посредством динамического процесса. Эта интуиция приводит к гипотезе кобордизма. Рассмотрим гравитационную теорию, которую можно определить на двух фонах с некомпактными измерениями и внутренней геометрией, и гипотеза кобордизма утверждает, что должен существовать динамический процесс, соединяющий эти два фона. Иными словами, должна существовать доменная стенка в теории меньшей размерности, разделяющая эти два фона. Это напоминает математическую идею кобордизма, которая интерполирует между двумя многообразиями, соединяя их посредством многообразия более высокой размерности.
Полнота гипотезы спектра
Полнота гипотезы спектра утверждает, что в квантовой гравитации спектр зарядов при любой калибровочной симметрии полностью реализуется. Эта гипотеза универсально выполняется в теории струн, но также обосновывается физикой чёрных дыр. Энтропия заряженных чёрных дыр ненулевая. Поскольку экспонента энтропии определяет число состояний, ненулевая энтропия чёрных дыр указывает на то, что при достаточно высоких зарядах любой заряд реализуется как минимум одним состоянием чёрной дыры.
Первоначальная гипотеза
Гипотеза слабой гравитации постулирует, что каждая черная дыра должна распадаться, если она не защищена суперсимметрией. Предположим, существует калибровочная симметрия, тогда существует верхняя граница заряда черных дыр заданной массы. Черные дыры, достигающие этой границы, являются экстремальными черными дырами. Экстремальные черные дыры имеют нулевую температуру Хокинга. Однако, существует ли черная дыра с зарядом и массой, точно удовлетворяющими условию экстремальности, зависит от квантовой теории. Но, учитывая высокую энтропию больших экстремальных черных дыр, должно существовать множество состояний с зарядами и массами, сколь угодно близкими к условию экстремальности. Предположим, черная дыра излучает частицу с зарядом и массой. Чтобы оставшаяся черная дыра оставалась субэкстремальной, должно выполняться условие в планковских единицах, где условие экстремальности принимает вид .
Легкая версия
Учитывая, что черные дыры являются естественным продолжением частиц при превышении определенной массы, естественно предположить, что должны существовать также черные дыры с отношением заряда к массе, превышающим отношение заряда к массе у очень больших черных дыр. Иными словами, поправка к условию экстремальности должна быть такой, что .
Высшее измерение обобщения
Гипотеза слабого гравитационного взаимодействия может быть обобщена на симметрии калибровочных полей высших форм. Обобщение постулирует, что для любой симметрии калибровочных полей высшей формы существует брана, отношение заряда к массе которой превышает отношение заряда к массе экстремальных бран.
Предположение о расстоянии
Двойственность струн сыграла решающую роль в развитии современного понимания теории струн, предоставив непертурбативное представление о физике высоких энергий. В теории струн, когда вакуумные ожидания скалярных полей теории приводятся к определенному пределу, всегда возникает двойственное описание. Примером этого является T-двойственность, где существуют два двойственных описания для понимания теории струн с внутренней геометрией в виде окружности. Однако каждое пертурбативное описание оказывается справедливым в различных областях параметрического пространства. Радиус окружности проявляется как скалярное поле в теории меньшей размерности. Если значение этого скалярного поля стремится к бесконечности, полученная теория может быть описана исходной теорией большей размерности. Новое описание включает в себя башню легких состояний, соответствующих частицам Калуцы — Кляйна (KK). С другой стороны, если размер окружности стремится к нулю, струны, обвивающиеся вокруг окружности, становятся легкими. T-двойственность утверждает, что существует альтернативное описание, которое описывает эти легкие обмоточные состояния как частицы KK. Важно отметить, что в отсутствие струны нет оснований полагать, что какие-либо состояния должны становиться легкими в пределе, когда размер окружности стремится к нулю. Гипотеза о расстоянии количественно определяет вышеупомянутое наблюдение и утверждает, что это должно происходить при любом бесконечном пределе расстояния в параметрическом пространстве.
Первоначальная гипотеза
Если привести вакуумное ожидаемое значение скалярных полей к бесконечности, возникает башня легких и слабосвязанных состояний, масса которых в планковских единицах стремится к нулю. Более того, масса частиц зависит от канонического расстояния, пройденного в пространстве модулей, как , где и – константы. Кроме того, существует универсальный зависимый от размерности нижний предел. Каноническое расстояние между двумя точками в целевом пространстве для скалярных ожидаемых значений (пространстве модулей) измеряется с помощью канонической метрики , которая определяется кинетическим членом в действии.
The canonical distance between two points in the target space for scalar expectations values (moduli space) is measured using the canonical metric , which is defined by the kinetic term in action.
Выходящая гипотеза струн
Более сильная формулировка исходной гипотезы о расстоянии дополнительно постулирует, что самая легкая башня состояний при любом бесконечном пределе расстояния является либо башней КК, либо струнной башней. Иными словами, доминирующая башня состояний может быть интерпретирована либо посредством размерного свертывания теории более высокой размерности (как в приведенном выше примере), либо как возбуждения слабосвязанной струны. Эта гипотеза часто дополнительно усиливается требованием, чтобы струна была фундаментальной.
Гипотеза острейшего расстояния
Предположение об остром расстоянии утверждает, что в d пространственно-временных измерениях, .