computo ergo sum

2026-10-01 · chapter ヤン–ミルズと質量ギャップ第 7 部 物理の側から大 N・平面ダイアグラム

この本の全体 目次と読む順
  1. 第 0 部 入口 — この本の読み方
  2. 0-01 この本の読み方
  3. 0-02 一枚の絵
  4. 0-03 問題文を一語ずつ読む
  5. 0-04 数学の四次元と物理の四次元
  6. 第 1 部 数学の準備
  7. 1-01 ベクトル空間と線形写像
  8. 1-02 群とは何か
  9. 1-03 リー群とリー環
  10. 1-04 SU(2) と SU(3)
  11. 1-05 多様体と接空間
  12. 1-06 微分形式と外微分
  13. 1-07 ベクトル束と接続
  14. 1-08 確率と測度
  15. 1-09 無限次元の確率
  16. 1-10 ヒルベルト空間と自己共役作用素
  17. 1-11 フーリエ解析と分布
  18. 1-12 寄り道
  19. 第 2 部 物理の準備
  20. 2-01 ラグランジアンと作用
  21. 2-02 場という考え
  22. 2-03 電磁気学はゲージ理論である
  23. 2-04 特殊相対論と時空
  24. 2-05 量子力学の骨
  25. 2-06 調和振動子と生成消滅
  26. 2-07 経路積分の考え方
  27. 2-08 統計力学と相転移
  28. 2-09 寄り道
  29. 2-10 緩和の時間と動的指数 z
  30. 第 3 部 ヤン–ミルズ理論(古典)
  31. 3-01 ゲージ原理
  32. 3-02 非可換ゲージ場
  33. 3-03 作用と方程式
  34. 3-04 幾何としてのゲージ理論
  35. 3-05 インスタントンと位相
  36. 3-06 寄り道
  37. 3-07 標準模型の中のヤン–ミルズ
  38. 第 4 部 量子化
  39. 4-01 正準量子化とハミルトニアン
  40. 4-02 経路積分とユークリッド化
  41. 4-03 摂動論と Feynman ダイアグラム
  42. 4-04 発散と繰り込み
  43. 4-05 発散の代数
  44. 4-06 漸近自由
  45. 4-07 次元転移と Λ
  46. 4-08 ゲージ固定と Faddeev–Popov
  47. 4-09 場の量子論の公理
  48. 4-10 Osterwalder–Schrader の公理と再構成
  49. 4-11 質量ギャップの定義
  50. 4-12 寄り道
  51. 第 5 部 格子ゲージ理論
  52. 5-01 Wilson の格子
  53. 5-02 強結合展開
  54. 5-03 反射正値性と転送行列
  55. 5-04 無限体積極限とクラスター展開
  56. 5-05 弱結合と連続極限
  57. 5-06 U(1) と非可換の違い
  58. 5-07 モンテカルロ法
  59. 5-08 グルーボールと弦張力の測定
  60. 5-09 何を固定して極限を取るか
  61. 5-10 有限群の格子ゲージ理論
  62. 5-11 寄り道
  63. 第 6 部 構成的場の理論
  64. 6-01 構成的場の理論とは
  65. 6-02 二次元の可解性とヤン–ミルズ測度
  66. 6-03 スカラー場の構成
  67. 6-04 クラスター展開
  68. 6-05 繰り込み群の段の列
  69. 6-06 三次元ヤン–ミルズの紫外安定性
  70. 6-07 四次元
  71. 6-08 四次元の φ⁴ の自明性
  72. 6-09 確率量子化と正則性構造
  73. 6-10 四次元で止まる場所
  74. 6-11 発散以外の障害
  75. 6-12 寄り道
  76. 第 7 部 物理の側から
  77. 7-01 物理はどう見ているか
  78. 7-02 閉じ込めの機構
  79. 7-03 弦の絵
  80. 7-04 大 N
  81. 7-05 ひも理論と余剰次元
  82. 7-06 余剰次元が見えなくなる仕組み
  83. 7-07 ゲージ場はどこから来るか
  84. 7-08 ホログラフィー
  85. 7-09 質量ギャップが幾何になる
  86. 7-10 四次元に戻す
  87. 7-11 超対称と Seiberg–Witten
  88. 7-12 等価原理に当たる一文
  89. 7-13 物理の掘り方が数学と離れる場所
  90. 第 8 部 二つの言葉の辞書 — 物理の視点と数学の視点
  91. 8-01 辞書の読み方
  92. 8-02 辞書 A
  93. 8-03 辞書 B
  94. 8-04 辞書 C
  95. 8-05 私たちの仮定の物理側の対応
  96. 第 9 部 現在地と課題
  97. 9-01 世界はどこまで来ているか
  98. 9-02 二つの掘り方の切れ目
  99. 9-03 新しい概念の候補
  100. 9-04 課題の一覧
  101. 9-05 よくある誤解
  102. 第 10 部 質量ギャップの厳密な証明へ — この端末の検討
  103. 10-00 第 10 部の入口 — 酔歩と定規と時計
  104. 10-01 理論の構成の筋
  105. 10-02 一段の記帳
  106. 10-03 仮定 H と三つの鎖
  107. 10-04 方向の地図
  108. 10-05 方向 12〜14
  109. 10-06 方向 15・15′
  110. 10-07 Lean で閉じた言明と既存の結果の対応表
  111. 10-08 壁の一覧
  112. 10-09 ひらめき帳から
  113. 10-10 主張しないこと
  114. 10-12 つじつま合わせ
  115. 10-11 定理までの距離
  116. 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
  117. 付録
  118. A-01 記号表
  119. A-02 用語集
  120. A-03 文献案内
  121. A-04 Lean と機械検査
  122. A-05 この本の作り方
  123. 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。

この章の順序
  1. N を動かす発想 — 小さい数の代わりに 1/N
  2. 二重線の記法 — 線は二本の添字
  3. 't Hooft の勘定 — N の冪は種数で決まる
  4. 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)
  5. ランダム曲面 — 弦の絵へ
  6. マスター場 — 揺らぎは 1/N で消える
  7. Gross–Witten の転移 — N=∞ だけの折れ目
  8. 四次元の格子 — 比は N でゆっくり動く
  9. 言えること・言えないこと — 強結合と二次元の岸

01

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 Λ\Lambda は e−1/(2b0g2)e^{-1/(2b_0g^2)} の形で(b0=11N/(48π2)b_0=11N/(48\pi^2)、7-01 の式 (1))、gg のどの冪にも映りません(7-01 §03)。't Hooft(1974)は群の大きさ NN 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。

N→∞,λ=g2N  を固定(1)N\to\infty,\qquad \lambda = g^2N\ \ \text{を固定} \tag{1}

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 N=3N=3 を「N=∞N=\infty に 1/91/9 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 1/N1/N 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 NN です(0-03)。

02

ゲージ場は行列:二重線の記法

ゲージ場 AμA_\mu は各点で N×NN\times N のエルミート行列で(3-02)、成分 AμijA_\mu{}^{i}{}_{j} 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)

S=12g2∫tr⁡FμνFμν d4x=N2λ∫tr⁡FμνFμν d4x,Fμν=∂μAν−∂νAμ−i[Aμ,Aν].(2)S = \frac{1}{2g^2}\int \operatorname{tr}F_{\mu\nu}F_{\mu\nu}\,d^4x = \frac{N}{2\lambda}\int \operatorname{tr}F_{\mu\nu}F_{\mu\nu}\,d^4x,\qquad F_{\mu\nu}=\partial_\mu A_\nu-\partial_\nu A_\mu-i[A_\mu,A_\nu]. \tag{2}

積のトレースは tr⁡(ABC)=AijBjkCki\operatorname{tr}(ABC)=A^{i}{}_{j}B^{j}{}_{k}C^{k}{}_{i} 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

⟨Aij Akl⟩ ∝ λN δil δkj.(3)\big\langle A^{i}{}_{j}\,A^{k}{}_{l}\big\rangle \ \propto\ \frac{\lambda}{N}\,\delta^{i}{}_{l}\,\delta^{k}{}_{j}. \tag{3}

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(e2πik/Ne^{2\pi i k/N} 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。

03

'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 N/λN/\lambda、伝播関数一本に λ/N\lambda/N、閉じた添字の輪一つに ∑iδii=N\sum_i\delta^i{}_i=N が掛かります。頂点 VV・伝播関数 EE・添字の輪 FF の真空の図は

(Nλ)V(λN)ENF=N V−E+F λ E−V(4)\Big(\frac{N}{\lambda}\Big)^{V}\Big(\frac{\lambda}{N}\Big)^{E}N^{F} = N^{\,V-E+F}\,\lambda^{\,E-V} \tag{4}

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、V−E+FV-E+F は曲面だけで決まるオイラー標数 χ=2−2h\chi=2-2h になります(hh は取っ手の数=種数。球面上の四面体なら 4−6+4=24-6+4=2)。したがって

ln⁡Z=∑h≥0N 2−2h fh(λ)(5)\ln Z = \sum_{h\ge 0} N^{\,2-2h}\,f_h(\lambda) \tag{5}

で、f0f_0 は平面に描ける図(平面図)の和、補正は 1/N21/N^2 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 1/N1/N 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)。λ\lambda を固定する理由は β 関数(結合定数が、見る尺度 μ\mu とともにどう変わるかを表す式。7-01 §02)にあります。§01 の b0b_0 を使って λ\lambda で書くと NN が消えます 計算。

μdλdμ=−1124π2 λ2,Λ=μ exp⁡ ⁣(−24π211 λ(μ))(6)\mu\frac{d\lambda}{d\mu} = -\frac{11}{24\pi^2}\,\lambda^2,\qquad \Lambda=\mu\,\exp\!\Big(-\frac{24\pi^2}{11\,\lambda(\mu)}\Big) \tag{6}

左辺は尺度 μ\mu を少し変えたときの λ\lambda の変わり方で、右辺が負なので短い距離(大きい μ\mu)ほど λ\lambda は小さくなります。λ\lambda を固定すれば Λ\Lambda 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。

04

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 MM を一つ、ガウス分布(1-08)に従わせます(dMdM は実成分のルベーグ測度)。

dμ(M) ∝ e−N2tr⁡M2 dM,⟨MijMkl⟩=1N δil δjk(7)d\mu(M)\ \propto\ e^{-\frac{N}{2}\operatorname{tr}M^2}\,dM,\qquad \langle M_{ij}M_{kl}\rangle=\frac{1}{N}\,\delta_{il}\,\delta_{jk} \tag{7}

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)。1Ntr⁡M4\frac1N\operatorname{tr}M^4 の組み方は図0 の三通りで、(a)(b) が 1N⋅N3⋅N−2=1\frac1N\cdot N^3\cdot N^{-2}=1、(c) が N−2N^{-2} です。

図0 tr⁡M4\operatorname{tr}M^4 の足 1〜4 を二本ずつ結ぶ三通り。弦が交わらない (a)(b) は添字の輪が 3 つ、交わる (c) は 1 つ(球面に描けずトーラスが要る)
1234 (a) 輪 3:1(b) 輪 3:1(c) 輪 1:1/N²

一般に

⟨1Ntr⁡M4⟩=2+1N2,⟨1Ntr⁡M2k⟩=∑g≥0εg(k) N−2g(8)\Big\langle \tfrac1N\operatorname{tr}M^4\Big\rangle = 2+\frac{1}{N^2},\qquad \Big\langle\tfrac1N\operatorname{tr}M^{2k}\Big\rangle=\sum_{g\ge0}\varepsilon_g(k)\,N^{-2g} \tag{8}

で、εg(k)\varepsilon_g(k) は (2k−1)!!(2k-1)!! 通りの組み方のうち種数 gg(添字の輪が k+1−2gk+1-2g 個)のものの数です。係数は Harer–Zagier(1986)の漸化式で出せます。

(k+1) εg(k)=(4k−2) εg(k−1)+(k−1)(2k−1)(2k−3) εg−1(k−2)(9)(k+1)\,\varepsilon_g(k) = (4k-2)\,\varepsilon_g(k-1) + (k-1)(2k-1)(2k-3)\,\varepsilon_{g-1}(k-2) \tag{9}
表1 εg(k)\varepsilon_g(k)(組み方の全列挙。漸化式 (9) と一致)
kg=0g=1g=2g=3合計
4147021105
542420483945
613223106468148510395
7429120126606656628135135
図1 N と k を動かすと、⟨1Ntr⁡M2k⟩\langle\frac1N\operatorname{tr}M^{2k}\rangle に占める種数 g の図の割合が変わる。N を上げると平面図(g=0)だけが残る
k = 4 N = 2.00 ⟨(1/N)tr M^8⟩ = 32.81 平面の分 14(42.7%)

計算表1 と図1 の数値はこの端末で計算した(k≤7k\le7 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 (2k−1)!!(2k-1)!! は平面図の数よりずっと速く増え、k=9k=9、N=1N=1 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

寄り道

飛ばしてよい小節です。

表1 の g=0g=0 の列はカタラン数 1k+1(2kk)\frac{1}{k+1}\binom{2k}{k} です。N→∞N\to\infty で MM の固有値の分布は半円 ρ(x)=12π4−x2\rho(x)=\frac{1}{2\pi}\sqrt{4-x^2}(∣x∣≤2|x|\le2)に近づきます(Wigner の半円則)既知。この密度の 2k2k 次の積率 ∫x2kρ(x) dx\int x^{2k}\rho(x)\,dx を数値積分すると、k≤6k\le6 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。

05

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

ln⁡Z=∑ΣNχ(Σ) wλ(Σ)(10)\ln Z = \sum_{\Sigma} N^{\chi(\Sigma)}\,w_\lambda(\Sigma) \tag{10}

というランダム曲面の和で、NN が位相を、λ\lambda が多角形の数を数えます(wλw_\lambda 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。N2−2hN^{2-2h} は弦の結合を 1/N1/N 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、1/N1/N 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。

06

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、1Ntr⁡\frac1N\operatorname{tr} で規格化した量どうしの共分散が 1/N21/N^2 だけ小さいことが出ます 既知。

⟨1Ntr⁡A⋅1Ntr⁡B⟩=⟨1Ntr⁡A⟩⟨1Ntr⁡B⟩+O(N−2)(11)\Big\langle \tfrac1N\operatorname{tr}A\cdot\tfrac1N\operatorname{tr}B\Big\rangle = \Big\langle\tfrac1N\operatorname{tr}A\Big\rangle\Big\langle\tfrac1N\operatorname{tr}B\Big\rangle + O\big(N^{-2}\big) \tag{11}

これが因数分解で、A=BA=B なら標準偏差が 1/N1/N で縮みます。

表2 行列 (7) の乱数による 1Ntr⁡M4\frac1N\operatorname{tr}M^4 計算
N平均2+1/N22+1/N^2N×標準偏差
22.2541(80)2.25007.19
82.0152(38)2.01566.09
1282.0003(15)2.00016.06

N=∞N=\infty では、トレースで作った量(行列模型 (7) なら共役 M→UMU†M\to UMU^\dagger 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 CC に沿ってゲージ場で平行移動した行列(N×NN\times N のユニタリ行列)の 1Ntr⁡\frac1N\operatorname{tr} 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 R2\mathbb{R}^2 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。

07

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 ℓ\ell ごとに群の元 Uℓ∈U(N)U_\ell\in U(N) を置きます。格子の最小の正方形(プラケット)pp の四辺の元を一周の順に掛けた積を UpU_p と書き、作用は tr⁡Up\operatorname{tr}U_p で作ります。閉じた道に沿って辺の元を掛けた積の 1Ntr⁡\frac1N\operatorname{tr} が格子の Wilson ループです。各 UℓU_\ell 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、nn 枚の面を囲む Wilson ループは厳密に wnw^n 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

dμ(U) ∝ exp⁡(Nλtr⁡(U+U†))dU,wN(λ)=⟨1NRe⁡tr⁡U⟩(12)d\mu(U)\ \propto\ \exp\Big(\frac{N}{\lambda}\operatorname{tr}(U+U^\dagger)\Big)dU,\qquad w_N(\lambda)=\Big\langle\tfrac1N\operatorname{Re}\operatorname{tr}U\Big\rangle \tag{12}

とします(6-02 の β\beta なら β=2N/λ\beta=2N/\lambda)。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 eiθ1,…,eiθNe^{i\theta_1},\dots,e^{i\theta_N} 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

In(x)=12π∫02πexcos⁡θcos⁡nθ dθI_n(x)=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}e^{x\cos\theta}\cos n\theta\,d\theta

を成分とする行列式が出ます 既知。

ZN=det⁡[Ij−k(2N/λ)]j,k=1N,wN=12N dln⁡ZNd(N/λ)(13)Z_N=\det\big[I_{j-k}(2N/\lambda)\big]_{j,k=1}^{N},\qquad w_N=\frac{1}{2N}\,\frac{d\ln Z_N}{d(N/\lambda)} \tag{13}

Gross–Witten(1980)は N→∞N\to\infty を鞍点法(大きいパラメータ NN を含む ∫eNf(x)dx\int e^{Nf(x)}dx を、ff が最大になる点のまわりで近似する方法)で評価し、λ=2\lambda=2 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。

w∞(λ)={1−λ/4(λ≤2)1/λ(λ≥2)(14)w_\infty(\lambda)=\begin{cases}1-\lambda/4 & (\lambda\le2)\\ 1/\lambda & (\lambda\ge2)\end{cases} \tag{14}

λ=2\lambda=2 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 σ=−ln⁡w\sigma=-\ln w。

図2 N を選ぶと上段の wN(λ)w_N(\lambda) と下段の wN′′w_N'' が太線になる(破線は N=∞)。N を上げると下段が λ=2 の段差に近づく
N = 10 λ = 2.0 w = 0.49634(N=∞:0.50000)
表3 wN(λ)w_N(\lambda)。最後の列は式 (14)
λN=1N=10N=40N=∞
10.697770.749370.749960.75000
20.446390.496340.499390.50000
40.242500.250000.250000.25000

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 ZNZ_N は N/λN/\lambda の整関数で正なので wNw_N はなめらかで、折れ目は N=∞N=\infty で初めて現れます。(ii) 近づき方が相で違います。ずれは λ=1\lambda=1 でほぼ −1/(16N2)-1/(16N^2)、λ=4\lambda=4 では N=20N=20 で 2×10−122\times10^{-12} と指数的に小さく、λ=2\lambda=2 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 1/λ1/\lambda を λ=1\lambda=1 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(λ→0\lambda\to0 の側)とは関係しないとします。それでも N→∞N\to\infty は有限の N に無い特異性を作りうるので、N→∞N\to\infty と a→0a\to0 の入れ替えには理由が要ります。

08

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 m0++/σm_{0^{++}}/\sqrt\sigma(最も軽いグルーボールと弦張力、7-01)の連続極限を 1/N21/N^2 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。

m0++σ∣N=a+bN2(15)\frac{m_{0^{++}}}{\sqrt\sigma}\Big|_{N} = a + \frac{b}{N^2} \tag{15}

論文の四点に (15) を誤差の重みで当てはめ直すと a=3.366±0.106a=3.366\pm0.106、b=1.93±0.54b=1.93\pm0.54、χ2=0.26\chi^2=0.26(自由度 2)で、中心値は論文の 3.37(15)+1.93(85)/N23.37(15)+1.93(85)/N^2 と同じです。定数だけでは χ2=12.9\chi^2=12.9(自由度 3)で合いません 計算。

表4 m0++/σm_{0^{++}}/\sqrt\sigma の連続極限の値と (15) の線(Athenodorou–Teper の列は、SU(3) が 2020 年、SU(2) と SU(∞) が 2021 年の論文)
NLucini–Teper(15) の線Athenodorou–Teper
23.844(61)3.8483.781(23)
33.607(87)3.5803.405(21)
43.49(14)3.487
53.38(16)3.443
∞3.37(15)3.3663.072(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、σ\sigma 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。

09

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。

切れ目

(1) 曲面の和は全 β\beta で成り立つが、連続極限の側(大きい β\beta)で面積則やギャップを出す評価は無い。(2) N→∞N\to\infty と a→0a\to0 の入れ替えは正当化されていない。(3) N=∞N=\infty で何かが示せても、懸賞問題は有限の N を要求し、1/N1/N 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、λ→∞\lambda\to\infty 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。fhf_h の収束。四次元で 1/N1/N 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 1/N1/N 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。N→∞N\to\infty と a→0a\to0 の交換。有限の N への帰還。
物理平面図の支配、弦の結合 1/N1/N、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)。

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改訂 2026-10-01:初版。