この本の全体 目次と読む順
- 第 0 部 入口 — この本の読み方
- 0-01 この本の読み方
- 0-02 一枚の絵
- 0-03 問題文を一語ずつ読む
- 0-04 数学の四次元と物理の四次元
- 第 1 部 数学の準備
- 1-01 ベクトル空間と線形写像
- 1-02 群とは何か
- 1-03 リー群とリー環
- 1-04 SU(2) と SU(3)
- 1-05 多様体と接空間
- 1-06 微分形式と外微分
- 1-07 ベクトル束と接続
- 1-08 確率と測度
- 1-09 無限次元の確率
- 1-10 ヒルベルト空間と自己共役作用素
- 1-11 フーリエ解析と分布
- 1-12 寄り道
- 第 2 部 物理の準備
- 2-01 ラグランジアンと作用
- 2-02 場という考え
- 2-03 電磁気学はゲージ理論である
- 2-04 特殊相対論と時空
- 2-05 量子力学の骨
- 2-06 調和振動子と生成消滅
- 2-07 経路積分の考え方
- 2-08 統計力学と相転移
- 2-09 寄り道
- 2-10 緩和の時間と動的指数 z
- 第 3 部 ヤン–ミルズ理論(古典)
- 3-01 ゲージ原理
- 3-02 非可換ゲージ場
- 3-03 作用と方程式
- 3-04 幾何としてのゲージ理論
- 3-05 インスタントンと位相
- 3-06 寄り道
- 3-07 標準模型の中のヤン–ミルズ
- 第 4 部 量子化
- 4-01 正準量子化とハミルトニアン
- 4-02 経路積分とユークリッド化
- 4-03 摂動論と Feynman ダイアグラム
- 4-04 発散と繰り込み
- 4-05 発散の代数
- 4-06 漸近自由
- 4-07 次元転移と Λ
- 4-08 ゲージ固定と Faddeev–Popov
- 4-09 場の量子論の公理
- 4-10 Osterwalder–Schrader の公理と再構成
- 4-11 質量ギャップの定義
- 4-12 寄り道
- 第 5 部 格子ゲージ理論
- 5-01 Wilson の格子
- 5-02 強結合展開
- 5-03 反射正値性と転送行列
- 5-04 無限体積極限とクラスター展開
- 5-05 弱結合と連続極限
- 5-06 U(1) と非可換の違い
- 5-07 モンテカルロ法
- 5-08 グルーボールと弦張力の測定
- 5-09 何を固定して極限を取るか
- 5-10 有限群の格子ゲージ理論
- 5-11 寄り道
- 第 6 部 構成的場の理論
- 6-01 構成的場の理論とは
- 6-02 二次元の可解性とヤン–ミルズ測度
- 6-03 スカラー場の構成
- 6-04 クラスター展開
- 6-05 繰り込み群の段の列
- 6-06 三次元ヤン–ミルズの紫外安定性
- 6-07 四次元
- 6-08 四次元の φ⁴ の自明性
- 6-09 確率量子化と正則性構造
- 6-10 四次元で止まる場所
- 6-11 発散以外の障害
- 6-12 寄り道
- 第 7 部 物理の側から
- 7-01 物理はどう見ているか
- 7-02 閉じ込めの機構
- 7-03 弦の絵
- 7-04 大 N
- 7-05 ひも理論と余剰次元
- 7-06 余剰次元が見えなくなる仕組み
- 7-07 ゲージ場はどこから来るか
- 7-08 ホログラフィー
- 7-09 質量ギャップが幾何になる
- 7-10 四次元に戻す
- 7-11 超対称と Seiberg–Witten
- 7-12 等価原理に当たる一文
- 7-13 物理の掘り方が数学と離れる場所
- 第 8 部 二つの言葉の辞書 — 物理の視点と数学の視点
- 8-01 辞書の読み方
- 8-02 辞書 A
- 8-03 辞書 B
- 8-04 辞書 C
- 8-05 私たちの仮定の物理側の対応
- 第 9 部 現在地と課題
- 9-01 世界はどこまで来ているか
- 9-02 二つの掘り方の切れ目
- 9-03 新しい概念の候補
- 9-04 課題の一覧
- 9-05 よくある誤解
- 第 10 部 質量ギャップの厳密な証明へ — この端末の検討
- 10-00 第 10 部の入口 — 酔歩と定規と時計
- 10-01 理論の構成の筋
- 10-02 一段の記帳
- 10-03 仮定 H と三つの鎖
- 10-04 方向の地図
- 10-05 方向 12〜14
- 10-06 方向 15・15′
- 10-07 Lean で閉じた言明と既存の結果の対応表
- 10-08 壁の一覧
- 10-09 ひらめき帳から
- 10-10 主張しないこと
- 10-12 つじつま合わせ
- 10-11 定理までの距離
- 10-13 小さな問い — 卒業研究の大きさで決着のつく十〜二十問
- 付録
- A-01 記号表
- A-02 用語集
- A-03 文献案内
- A-04 Lean と機械検査
- A-05 この本の作り方
- A-06 仮定の索引
大 N — 色の数を無限大に送ると、ファインマン図は曲面に仕分けられる
この章で分かること — N を大きくすると図は種数ごとに N の冪で仕分けられ、平面図だけが残ること('t Hooft 1974)。図の和がランダム曲面の和になり、揺らぎが消えること。二次元の格子で N=∞ にだけ現れる相転移と、四次元の格子の N 依存。
前提となる章 — 4-03 摂動論と Feynman ダイアグラム。3-02・6-02・7-01 は要る分をその場で書きます。
先に言うこと — 大 N は物理の水準の展開です。懸賞問題は有限の N を要求し、N→∞ から戻る道は知られていません。厳密な結果は強結合の格子か二次元に限られます。このサイトは質量ギャップも連続極限の構成も示していません。
- N を動かす発想 — 小さい数の代わりに 1/N
- 二重線の記法 — 線は二本の添字
- 't Hooft の勘定 — N の冪は種数で決まる
- ガウス行列の種数展開 — 実際に数える(寄り道:カタラン数と半円)
- ランダム曲面 — 弦の絵へ
- マスター場 — 揺らぎは 1/N で消える
- Gross–Witten の転移 — N=∞ だけの折れ目
- 四次元の格子 — 比は N でゆっくり動く
- 言えること・言えないこと — 強結合と二次元の岸
N を動かすという発想
四次元の純ヤン–ミルズには展開に使える小さい数がありません。質量の尺度 は の形で(、7-01 の式 (1))、 のどの冪にも映りません(7-01 §03)。't Hooft(1974)は群の大きさ をつまみとみなし、次の極限を考えました(原論文の群は U(N))既知。
要旨によれば 'only planar diagrams with the quarks at the edges dominate' で、1/N が当時の弦の模型の結合に当たります。比喩で言えば を「 に 程度の補正」と見る発想で、正確には補正の小ささは格子の数値で確かめるものです(§08)。問題文は、1/N 展開を通じてゲージ理論が を結合とする弦理論と同値かもしれないという双対性の予想を 'A prominent speculation' と呼び、そうした記述が 'perhaps a good starting point for a rigorous proof (for sufficiently large N)' になりうると書きます 既知。ただし要求は有限の です(0-03)。
ゲージ場は行列:二重線の記法
ゲージ場 は各点で のエルミート行列で(3-02)、成分 の二つの添字を色の線の両端とみなします。作用は(ユークリッド)
積のトレースは のように添字を輪につなぎ、(2) の三点・四点の頂点はどれもこの形です。伝播関数(4-03)の色の部分は U(N) で
デルタ一つが添字の線一本なので、グルーオンの線は向きが逆の二本の線、細い帯になります。これが二重線の記法です。連続の作用では(リー代数の水準で)、単位行列の方向は交換子から落ち、トレース 0 の部分との交差項も消えるので、純ゲージ理論の U(N) は SU(N) に相互作用しない自由な U(1) 場を一つ足したものです 既知。群としては U(N) は SU(N)×U(1) に分かれず( 倍の単位行列が両方に入る)、格子の U(N)(§07)ではこの分離は成り立ちません。
't Hooft の勘定:N の冪は曲面の種数で決まる
(2)(3) から、頂点一つに 、伝播関数一本に 、閉じた添字の輪一つに が掛かります。頂点 ・伝播関数 ・添字の輪 の真空の図は
に比例します。添字の輪それぞれに円板を貼ると向きの付いた閉曲面ができ、 は曲面だけで決まるオイラー標数 になります( は取っ手の数=種数。球面上の四面体なら )。したがって
で、 は平面に描ける図(平面図)の和、補正は ずつです 既知。クォークの線は一本の添字の線で、曲面に縁を開けて を掛けます。(5) は摂動級数の並べ替えで、収束は別の問題です(4-12)。 を固定する理由は β 関数(結合定数が、見る尺度 とともにどう変わるかを表す式。7-01 §02)にあります。§01 の を使って で書くと が消えます 計算。
左辺は尺度 を少し変えたときの の変わり方で、右辺が負なので短い距離(大きい )ほど は小さくなります。 を固定すれば も固定され、格子でもこの取り方でなめらかな極限が得られています(Lucini–Teper)物理。
数えてみる:ガウス行列の種数展開
勘定 (4) は時空を一点に縮めた模型で確かめられます。エルミート行列 を一つ、ガウス分布(1-08)に従わせます( は実成分のルベーグ測度)。
ガウス変数の積の期待値は、二つずつ組にする仕方の和です(Wick の定理、2-07)。 の組み方は図0 の三通りで、(a)(b) が 、(c) が です。
一般に
で、 は 通りの組み方のうち種数 (添字の輪が 個)のものの数です。係数は Harer–Zagier(1986)の漸化式で出せます。
| k | g=0 | g=1 | g=2 | g=3 | 合計 |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 | 14 | 70 | 21 | 105 | |
| 5 | 42 | 420 | 483 | 945 | |
| 6 | 132 | 2310 | 6468 | 1485 | 10395 |
| 7 | 429 | 12012 | 66066 | 56628 | 135135 |
計算表1 と図1 の数値はこの端末で計算した( は全列挙と漸化式の突き合わせ)。JavaScript が無効なら表1 で読める。
合計 は平面図の数よりずっと速く増え、、 では平面図は 0.02% 未満です。大 N 極限は、数の少ない図だけを残す極限です。
寄り道:カタラン数と半円
飛ばしてよい小節です。
表1 の の列はカタラン数 です。 で の固有値の分布は半円 ()に近づきます(Wigner の半円則)既知。この密度の 次の積率 を数値積分すると、 で 10 桁までカタラン数と一致します 計算。平面図を数えることは大 N の極限を求めることと同じで、Brézin–Itzykson–Parisi–Zuber(1978)はこれを数え方に使いました 既知。
図の和はランダム曲面の和になる
帯の図を裏返して読みます。四点の頂点を正方形、三点の頂点を三角形、伝播関数を二辺の貼り合わせに置き換えると、図一つが多角形を貼った閉曲面一つになります。(5) は
というランダム曲面の和で、 が位相を、 が多角形の数を数えます( は運動量の積分を含む重み)。比喩で言えば膜の形の和ですが、正確には (10) は級数の並べ替えで、曲面の和としての収束は別に示す必要があります。
物理はこの膜を、閉じ込めの管(7-03)が掃く弦の世界面と読みます。 は弦の結合を とした弦の摂動展開の形で、問題文では 'may be equivalent to a string theory with 1/N as the string coupling constant' です 物理。二次元 QCD では、 展開の係数が曲面の写像の和で決まり、閉じた弦の理論と読めます(Gross–Taylor 1993)既知。
揺らぎが消える:因数分解とマスター場
勘定 (4) からもう一つ、 で規格化した量どうしの共分散が だけ小さいことが出ます 既知。
これが因数分解で、 なら標準偏差が で縮みます。
| N | 平均 | N×標準偏差 | |
|---|---|---|---|
| 2 | 2.2541(80) | 2.2500 | 7.19 |
| 8 | 2.0152(38) | 2.0156 | 6.09 |
| 128 | 2.0003(15) | 2.0001 | 6.06 |
では、トレースで作った量(行列模型 (7) なら共役 で変わらない量、ゲージ理論ならゲージ不変な量)が乱数でなくなり、測度が一つの配位に集まるかのように振る舞います。その集まる先をマスター場と呼ぶ習わしがあります。比喩で言えば揺れる海が凍る絵ですが、正確には凍るのはトレースで作った量の分布で、行列の成分は揺らぎ続けます。
ゲージ理論で因数分解が効く代表は Wilson ループです。閉じた道 に沿ってゲージ場で平行移動した行列( のユニタリ行列)の のことで、7-01 §04 で定義します。Schwinger–Dyson 方程式は、積分変数をずらしても積分が変わらないことから出る、期待値どうしの関係式です。Wilson ループについてのこの方程式に因数分解を入れると、ループの期待値だけで閉じた方程式になります(Makeenko–Migdal 1979)物理。平面 では Lévy がヤン–ミルズ測度(6-02)の大 N 極限を構成し、各 Wilson ループが確率収束で決定的な極限に近づくこと、この方程式が有限の N でも極限でも成り立つことを示しました 既知。
二次元の格子で見る大 N:Gross–Witten の転移
格子の言葉を要る分だけ書きます(詳しくは 5-01)。時空を格子点の網に置き換え、隣り合う二点を結ぶ辺 ごとに群の元 を置きます。格子の最小の正方形(プラケット) の四辺の元を一周の順に掛けた積を と書き、作用は で作ります。閉じた道に沿って辺の元を掛けた積の が格子の Wilson ループです。各 は Haar 測度(群の上の一様な確率測度、1-08 §03)に作用の重みを掛けた分布に従います。
二次元の格子では、辺の元の一部を 1 にそろえる木ゲージでプラケットが独立になり、 枚の面を囲む Wilson ループは厳密に です(6-02 §02・§03)。大 N は一枚の積分で調べられます。U(N) の Haar 測度に重みを付けて
とします(6-02 の なら )。有限の N では、Weyl の積分公式(トレースだけで決まる関数の Haar 積分を、固有値 の積分に直す式)と Heine の恒等式(その固有値の積分を行列式に直す式)から、修正 Bessel 関数
を成分とする行列式が出ます 既知。
Gross–Witten(1980)は を鞍点法(大きいパラメータ を含む を、 が最大になる点のまわりで近似する方法)で評価し、 に三次の相転移を見つけました。同じ転移は Wadia の 1979 年の preprint にも現れます 既知。この正規化での極限は次の形で、有限 N の値は表3 のようにここへ近づきます 計算。
で値 1/2 も傾き −1/4 もつながり、二階微分が 0 から 1/4 へ跳びます(自由エネルギーでは三階微分)。弦張力は 。
| λ | N=1 | N=10 | N=40 | N=∞ |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.69777 | 0.74937 | 0.74996 | 0.75000 |
| 2 | 0.44639 | 0.49634 | 0.49939 | 0.50000 |
| 4 | 0.24250 | 0.25000 | 0.25000 | 0.25000 |
計算この図と表の数値はこの端末で計算した((13) を 300 桁で評価、N=1,2 は直接積分と 10 桁一致。図の二階微分は刻み 0.1 の差分)。JavaScript が無効なら表3 で読める。
読み取れることは三つです 計算。(i) 有限の N では は の整関数で正なので はなめらかで、折れ目は で初めて現れます。(ii) 近づき方が相で違います。ずれは でほぼ 、 では で と指数的に小さく、 では N を倍にしても約 1/2.5 にしかなりません。(iii) 強結合側の式 を に延ばすと 1 で、正しい 0.75 から外れます。強結合の展開が転移の向こうへ届かない例です(5-02)。
Wadia の preprint(arXiv に再録)はこの転移について 'seems to be a pathology of the infinite N limit' と書き、この模型では物理的な連続極限( の側)とは関係しないとします。それでも は有限の N に無い特異性を作りうるので、 と の入れ替えには理由が要ります。
四次元の格子:比は N でゆっくり動く
四次元では格子の数値に頼ります。Lucini–Teper(2001)は SU(2)〜SU(5) の (最も軽いグルーボールと弦張力、7-01)の連続極限を の一次式で当てはめ、 'all SU(N) gauge theories are close to SU(∞), at least as far as the low-lying mass spectrum is concerned' とまとめました 物理。
論文の四点に (15) を誤差の重みで当てはめ直すと 、、(自由度 2)で、中心値は論文の と同じです。定数だけでは (自由度 3)で合いません 計算。
| N | Lucini–Teper | (15) の線 | Athenodorou–Teper |
|---|---|---|---|
| 2 | 3.844(61) | 3.848 | 3.781(23) |
| 3 | 3.607(87) | 3.580 | 3.405(21) |
| 4 | 3.49(14) | 3.487 | |
| 5 | 3.38(16) | 3.443 | |
| ∞ | 3.37(15) | 3.366 | 3.072(14) |
物理一次資料の外挿値。計算「(15) の線」はこの端末の当てはめ(相関と系統誤差は無視)。
比の変化は SU(2) から SU(∞) まで、(15) の線では約 12.5%、Athenodorou–Teper の値では約 19% です 計算。二つの一次資料の SU(∞) の値の差は約 2.0σ です 計算。どれも連続極限の存在を前提にした外挿で、 は弦の絵を通して取り出されています。「N=3 は N=∞ に近い」はその前提の中での観察です。
数学として言えること・言えないこと
定理になった大 N の結果は次の岸にあります 既知。
- 平面図の理論:'t Hooft(1983)は四次元のユークリッド空間で平面図だけの理論を扱い、'if all particles involved have non-vanishing masses' かつ結合が十分小さければ、絶対収束する手続きで Green 関数(場の積の期待値。伝播関数はその一つ)が得られ、それが Dyson–Schwinger 方程式(§06 の Schwinger–Dyson 方程式と同じもの)を一意に解く、としました(要旨:'an absolutely convergent procedure exists to obtain Green functions that uniquely solve the Dyson-Schwinger equations')。ギャップは仮定です。
- 強結合の格子:Chatterjee(2015)は強結合の SO(N) で大 N の Wilson ループの期待値を格子上の弦の軌跡の絶対収束する和として計算し、Chatterjee–Jafarov は同じ強結合の SO(N) で、Wilson ループの 展開を漸近展開として証明しました(初項は種数 0、高次ほど高い種数の曲面)。
- すべての N と β:Cao–Park–Sheffield は任意の行列の大きさ ・・次元 で、Wilson ループの期待値を埋め込まれた地図(曲面に描いたグラフを格子へ写したもの)の和で表しました。U(N) では、地図一つの重みは と格子の各辺の重み(Weingarten 関数。これ自体も による)の積に比例します。
- 二次元:平面のマスター場(§06)と全結合での面積則(6-02)。
(1) 曲面の和は全 で成り立つが、連続極限の側(大きい )で面積則やギャップを出す評価は無い。(2) と の入れ替えは正当化されていない。(3) で何かが示せても、懸賞問題は有限の N を要求し、 展開に収束の保証は無い。問題文も四次元について 'there might some day be an asymptotic solution in a large N limit' と書くにとどめる。
大 N は弦(7-05)と、 も取るホログラフィー(7-08)で再び使われます。有限の N への距離は 7-10 で。
この章が言えている範囲
| 言えている | 言えていない |
|---|---|
| 既知(4)(5)(級数の並べ替えとして)、U(N) と SU(N) の差。 | の収束。四次元で 展開が理論を近似すること。 |
| 計算(6)、表1〜表3、図1・図2、半円の密度の積率、(13) の N=1,2 での突き合わせ、表4 の当てはめ。 | 表4 は一次資料の外挿値の再当てはめ。 |
| 既知強結合 SO(N) の大 N と 展開、曲面和、平面のマスター場、質量正を仮定した平面図の理論。 | 弱結合側の面積則・ギャップ。 と の交換。有限の N への帰還。 |
| 物理平面図の支配、弦の結合 、ループ方程式、比の N 依存の小ささ。 | 四次元の連続理論の定理ではない。このサイトは質量ギャップも連続極限の構成も示していない。 |
出典と再現
| もの | 種別 | 出典・道具 |
|---|---|---|
| (1)、平面図 | 既知 | G. 't Hooft, Nucl. Phys. B72 (1974) 461。要旨を確認。 |
| 問題文の引用 | 既知 | A. Jaffe, E. Witten, "Quantum Yang–Mills Theory"(Clay)§6.1・§6.6。本文を確認。 |
| 行列の積分で数える | 既知 | E. Brézin, C. Itzykson, G. Parisi, J.-B. Zuber, CMP 59 (1978) 35。要旨を確認。 |
| (9)/半円則 | 既知 | J. Harer, D. Zagier, Invent. Math. 85 (1986) 457/E. P. Wigner, Ann. of Math. 62 (1955) 548。書誌のみ。 |
| (11) の因数分解、U(N) と SU(N) の差 | 既知 | 大 N の標準的な事実として扱った('t Hooft 1974・Brézin–Itzykson–Parisi–Zuber 1978 の枠内)。この二点について両論文の本文は書誌のみ。(11) は表2 の数値でも確かめた。 |
| (13) の行列式 | 既知・計算 | Weyl の積分公式と Heine の恒等式による標準的な書き換え(原典は書誌のみ・未確認)。この端末で N=1,2 の直接積分と突き合わせた。 |
| 2 次元 QCD と弦 | 既知 | D. J. Gross, W. Taylor, NPB 400 (1993) 181, hep-th/9301068。要旨を確認。 |
| ループ方程式 | 物理 | Yu. M. Makeenko, A. A. Migdal, PLB 88 (1979) 135。要旨を確認。 |
| 平面のマスター場 | 既知 | T. Lévy, arXiv:1112.2452。要旨を確認。 |
| 転移、Wadia の引用 | 既知 | D. J. Gross, E. Witten, PRD 21 (1980) 446。要旨を確認。S. R. Wadia, arXiv:1212.2906(1979 年の preprint の再録)。要旨を確認。(14) は両論文の本文では未確認で、有限 N の値の極限として確認した。 |
| 表4、引用 | 物理 | B. Lucini, M. Teper, JHEP 0106 (2001) 050, hep-lat/0103027(本文を確認)。A. Athenodorou, M. Teper, arXiv:2007.06422 表 17(SU(3))/arXiv:2106.00364 表 23(SU(2))・表 31(SU(∞))。本文の表を確認。 |
| §09 の定理 | 既知 | G. 't Hooft, "Rigorous construction of planar diagram field theories in four-dimensional Euclidean space", CMP 88 (1983) 1。S. Chatterjee, arXiv:1502.07719。S. Chatterjee, J. Jafarov, arXiv:1604.04777。S. Cao, M. Park, S. Sheffield, arXiv:2307.06790。要旨を確認。 |
| 表・図・(6)・(13) | 計算 | この端末の Python 3(numpy、decimal 300 桁)。 |
次に読む章:7-05 ひも理論と余剰次元 — 曲面の和を弦の理論として読むと何が要るか。