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리우빌 장론

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1. 개요

리우빌 장론은 스칼라장과 실수 매개변수를 갖는 2차원 등각 장론으로, 2차원 곡면의 계량 텐서와 스칼라 곡률을 포함하는 작용으로 정의된다. 이 이론은 조제프 리우빌이 리만 곡면의 균일화 정리를 증명할 때 사용한 방정식과 유사한 운동 방정식을 가지며, 운동 방정식, 등각 대칭, 스펙트럼, 상관 함수 등의 성질을 갖는다. 리우빌 장론은 끈 이론, 2차원 양자 중력, 무작위 에너지 모형 등 다양한 분야에 응용되며, 최소 모형, 초대칭 리우빌 이론 등 다른 등각 장론과 관련이 있다.

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리우빌 장론
개요
유형등각 장론
차원2차원
수학적 구조
대칭바일 대칭(Weyl symmetry)
관련 이론베스-추미노-노비코프-위튼 모형(Wess–Zumino–Novikov–Witten theory)
토다 장론(Toda field theories)

2. 역사와 어원

이 이론의 운동 방정식은 조제프 리우빌리만 곡면균일화 정리를 증명할 때 사용했던 2차 비선형 편미분 방정식과 유사하여 이러한 이름이 붙었다.[26]

3. 정의

'''리우빌 장론'''은 스칼라장 \phi와 실수 매개 변수 b\in\mathbb R를 가지는 2차원 등각 장론이며, 그 작용은 다음과 같다.

:S = \frac{1}{4\pi } \int_\Sigma d^2x\sqrt g\,(g^{\mu \nu} \partial _\mu \phi \partial _{\nu} \phi + (b+b^{-1}) R[g]\phi + 4\pi e^{2b\phi })

여기서 g_{\mu\nu}는 2차원 곡면 \Sigma의 계량 텐서이며, R[g]는 그 스칼라 곡률이다. 스칼라장 \phi를 '''리우빌 장'''(Liouville field영어)이라고 한다.

4. 성질

등각 부트스트랩 접근 방식을 사용하면, 리우빌 장론은 다음과 같은 고유한 성질을 갖는 등각장론으로 알려져 있다.[1]


  • 스펙트럼은 연속체이며, 중복도는 1보다 크지 않다.
  • 상관 함수는 b와 운동량에 대해 해석적으로 의존한다.
  • 축퇴장(degenerate fields)이 존재한다.


리우빌 이론의 스펙트럼 \mathcal{S}비라소로 대수의 베르마 모듈의 대각선 조합으로 나타낼 수 있다.

:

\mathcal{S} = \int_{\frac{c-1}{24} + \mathbb{R}_+} d\Delta\ \mathcal{V}_\Delta \otimes \bar{\mathcal{V}}_\Delta\ ,



여기서 \mathcal{V}_\Delta\bar{\mathcal{V}}_\Delta는 각각 왼쪽 및 오른쪽으로 이동하는 비라소로 대수의 표현으로 간주되는 동일한 베르마 모듈을 나타낸다.

리우빌 이론은 c\in (1,+\infty)일 때에만 유니타리(unitary)하다. 또한 리우빌 이론의 스펙트럼은 진공 상태를 포함하지 않는데, 진공 상태는 정의될 수 있지만 연산자 곱 전개에 기여하지 않는다.

2차원 등각 장론은 1차장의 스펙트럼과 3점 상관 함수의 계수에 따라서 완전히 결정된다. 리우빌 이론의 경우 3점 계수들이 모두 알려져 있으며, 그 공식을 '''DOZZ 공식'''(DOZZ formula영어)이라고 한다.

상관 함수는 특정한 쌍대성과 운동량의 반사에 대해 공변(covariant)적이다.

c\notin (-\infty, 1)에 대해, 3점 구조 상수는 DOZZ 공식에 의해 다음과 같이 주어진다.

:

C_{\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3} = \frac{\left[b^{\frac{2}{b}-2b}\lambda\right]^{Q-\alpha_1-\alpha_2-\alpha_3}\Upsilon_b'(0) \Upsilon_b(2\alpha_1) \Upsilon_b(2\alpha_2) \Upsilon_b(2\alpha_3)}{\Upsilon_b(\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3-Q) \Upsilon_b(\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3)\Upsilon_b(\alpha_2+\alpha_3-\alpha_1)\Upsilon_b(\alpha_3+\alpha_1-\alpha_2)}\ ,



여기서 특수 함수 \Upsilon_b는 일종의 다중 감마 함수이다.

리우빌 이론은 구면뿐만 아니라 속 g\geq 1의 모든 리만 곡면에서도 존재한다.

4. 1. 운동 방정식

리우빌 장의 고전적 운동 방정식은 다음과 같다.[8]

:\Delta \phi(x) = \frac {1}{2} (b+b^{-1}) R(x) + 4\pi b e^{2b\phi (x)}

여기서 \Delta = g^{-1/2} \partial _{\mu} (g^{1/2} g^{\mu \nu} \partial_{\nu} ) 는 굽은 공간의 라플라스-벨트라미 연산자이다. 평탄한 공간에서는 이는 다음과 같다.[8]

:

\left(\frac{\partial ^2}{\partial x^2} + \frac{\partial ^2}{\partial y^2} \right) \phi (x,y) = 4\pi b e^{2b \phi (x,y)}



이 작용에 해당하는 운동 방정식은 다음과 같다.[8]

:

\Delta \varphi(x) = \frac {1}{2} Q R(x) + \lambda' b e^{2b\varphi (x)} \ ,



여기서 \Delta = |g|^{-1/2} \partial _{\mu} (|g|^{1/2} g^{\mu \nu} \partial_{\nu} ) 는 라플라스-벨트라미 연산자이다. 만약 g_{\mu \nu} 가 유클리드 계량 텐서라면, 이 방정식은 다음과 같이 단순화된다.[8]

:

\left(\frac{\partial ^2}{\partial x_1^2} + \frac{\partial ^2}{\partial x_2^2} \right) \varphi (x_1,x_2) = \lambda' b e^{2b \varphi (x_1,x_2)} \ ,



이것은 리우빌 방정식과 동등하다.

4. 2. 등각 대칭

리우빌 장론은 등각 대칭성을 가지며, 비라소로 대수의 중심 전하(central charge영어) c는 다음과 같다.[24]

:c=1+6(b+1/b)^2

보통 Q=b+1/b로 정의한다.

등각 변환에서 운동량 \alpha를 가진 에너지 고유 벡터는 일차장으로 변환되며, 등각 차원 \Delta는 다음과 같다.

:

\Delta = \alpha(Q-\alpha)



중심 전하와 등각 차원은 다음의 쌍대성에 대해 불변이다.

:

b \to \frac{1}{b}


4. 3. 스펙트럼

리우빌 이론의 (규격화 가능) 상태들은 연산자-상태 대응에 따라서 \exp((Q+2ip)\phi) 꼴의 국소 연산자에 대응한다.[24] 여기서 p\in\mathbb R이다. 이러한 상태의 등각 차원은 \Delta=Q^2/4+p^2이다. 스펙트럼이 연속적이므로, 이 경우 카디 엔트로피 공식이 적용되지 않는다.[27]

또한, 일반적으로 \exp(2\alpha\phi) (\operatorname{Re}\alpha\le Q/2) 형태의 연산자가 존재하지만, \operatorname{Re}\alpha\ne Q/2라면 이는 규격화 가능한 상태에 대응하지 않는다.[24] 이 부등식을 '''자이베르그 한계'''(Seiberg bound영어)라고 한다.[28]

리우빌 이론의 스펙트럼 \mathcal{S}비라소로 대수의 베르마 모듈의 대각선 조합이다.

:

\mathcal{S} = \int_{\frac{c-1}{24} + \mathbb{R}_+} d\Delta\ \mathcal{V}_\Delta \otimes \bar{\mathcal{V}}_\Delta\ ,



여기서 \mathcal{V}_\Delta\bar{\mathcal{V}}_\Delta는 각각 왼쪽 및 오른쪽으로 이동하는 비라소로 대수의 표현으로 간주되는 동일한 베르마 모듈을 나타낸다. 운동량으로 표현하면, \Delta \in \frac{c-1}{24} + \mathbb{R}_+\alpha\in \frac{Q}{2}+i\mathbb{R}_+. 값에 해당한다. 반사 관계는 자유 이론의 전체 선이 아닌 반선에서 운동량이 값을 갖도록 한다.

리우빌 이론은 c\in (1,+\infty)일 때에만 유니타리하다. 리우빌 이론의 스펙트럼은 진공 상태를 포함하지 않는다. 진공 상태는 정의될 수 있지만, 연산자 곱 전개에 기여하지 않는다.

4. 4. 상관 함수

2차원 등각 장론은 1차장의 스펙트럼과 3점 상관 함수의 계수에 따라서 완전히 결정된다. 리우빌 이론의 경우 3점 계수들이 모두 알려져 있으며, 그 공식을 '''DOZZ 공식'''(DOZZ formula영어)이라고 한다. 이는 하랄트 도른(Harald Dornde), 한스외르크 오토(Hans-Jörg Ottode)[29], 알렉산드르 자몰롯치코프, 알렉세이 자몰롯치코프(Алексей Борисович Замолодчиковru)[30] 가 발견하였다.

리우빌 이론의 상관 함수는 특정한 쌍대성과 운동량의 반사에 대해 공변적(covariant)이다.

c\notin (-\infty, 1)에 대해, 3점 구조 상수는 DOZZ 공식(Dorn–Otto[2] 및 Zamolodchikov–Zamolodchikov[3])에 의해 다음과 같이 주어진다.

:

C_{\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3} = \frac{\left[b^{\frac{2}{b}-2b}\lambda\right]^{Q-\alpha_1-\alpha_2-\alpha_3}\Upsilon_b'(0) \Upsilon_b(2\alpha_1) \Upsilon_b(2\alpha_2) \Upsilon_b(2\alpha_3)}{\Upsilon_b(\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3-Q) \Upsilon_b(\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3)\Upsilon_b(\alpha_2+\alpha_3-\alpha_1)\Upsilon_b(\alpha_3+\alpha_1-\alpha_2)}\ ,



여기서 특수 함수 \Upsilon_b는 일종의 다중 감마 함수이다.

c\in (-\infty, 1)에 대해 3점 구조 상수는[1] 다음과 같다.

:

\hat{C}_{\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3} = \frac{\left[(ib)^{\frac{2}{b}-2b}\lambda\right]^{Q-\alpha_1-\alpha_2-\alpha_3}\hat{\Upsilon}_b(0) \hat{\Upsilon}_b(2\alpha_1) \hat{\Upsilon}_b(2\alpha_2) \hat{\Upsilon}_b(2\alpha_3)}{\hat{\Upsilon}_b(\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3-Q) \hat{\Upsilon}_b(\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3)\hat{\Upsilon}_b(\alpha_2+\alpha_3-\alpha_1)\hat{\Upsilon}_b(\alpha_3+\alpha_1-\alpha_2)}\ ,



여기서

:

\hat{\Upsilon}_b(x) = \frac{1}{\Upsilon_{ib}(-ix+ib)}\ .



구면 위의 N점 함수는 3점 구조 상수와 등각 블록으로 표현될 수 있다. N점 함수는 여러 다른 표현식을 가질 수 있는데, 이들이 일치한다는 것은 4점 함수의 교차 대칭성과 동등하며, 이는 수치적으로 확인되었고[3][2], 분석적으로 증명되었다.[4][5]

리우빌 이론은 구면뿐만 아니라 속 g\geq 1의 모든 리만 곡면에서도 존재한다. 기술적으로 이것은 원환면 1점 함수의 모듈러 불변성과 동등하다. 등각 블록과 구조 상수의 놀라운 항등식으로 인해, 이 모듈러 불변성 속성은 구면 4점 함수의 교차 대칭성에서 유추할 수 있다.[6][7]

N점 상관 함수의 경로 적분 표현은 다음과 같다.

:

\left\langle\prod_{i=1}^N V_{\alpha_i}(z_i)\right\rangle = \int D\varphi\ e^{-S[\varphi]}

\prod_{i=1}^N e^{2\alpha_i\varphi(z_i)}\ .


4. 5. 반사 관계

표현 \mathcal{V}_\Delta \otimes \bar{\mathcal{V}}_\Delta 의 주된 상태에 해당하는 두 장 V_\alpha(z)V_{Q-\alpha}(z)는 반사 관계에 의해 관련되어 있다.[1]

: V_\alpha(z) = R(\alpha) V_{Q-\alpha}(z)\ ,

여기서 반사 계수는 다음과 같다.

: R(\alpha) = \pm \lambda^{Q-2\alpha} \frac{\Gamma(b(2\alpha-Q))\Gamma(\frac{1}{b}(2\alpha-Q))}{\Gamma(b(Q-2\alpha))\Gamma(\frac{1}{b}(Q-2\alpha))}\ .

(부호는 c\in(-\infty, 1)이면 +1이고, 그렇지 않으면 -1이며, 정규화 매개변수 \lambda는 임의적이다.)

5. 다른 등각 장론과의 관계

리우빌 장론은 다른 등각 장론과 다음과 같은 관계를 갖는다.


  • 최소 모형: 중심 전하와 등각 차원이 특정 이산 값으로 주어지면, 리우빌 장론의 상관 함수는 대각(A-계열) 비라소로 최소 모형의 상관 함수로 축소된다.[1]
  • 초대칭 리우빌 이론: \(\mathcal{N}=1\) 초대칭 리우빌 장론과 \(\mathcal{N}=2\) 초대칭 리우빌 장론이라는 두 가지 다른 초대칭 확장을 허용한다.[14]

5. 1. 최소 모형

중심 전하와 등각 차원이 특정 이산 값으로 보내지면, 리우빌 장론의 상관 함수는 대각(A-계열) 비라소로 최소 모형의 상관 함수로 축소된다.[1]

5. 2. 초대칭 리우빌 이론

리우빌 장론은 \(\mathcal{N}=1\) 초대칭 리우빌 장론과 \(\mathcal{N}=2\) 초대칭 리우빌 장론이라는 두 가지 다른 초대칭 확장을 허용한다.[14]

6. 적분가능 모형과의 관계

(소스에 내용이 없으므로 내용을 생성할 수 없습니다.)

7. 응용

끈 이론에서, 리우빌 장론은 10차원 미만의 차원에서 존재하는, 소위 '''비임계 끈 이론'''(non-critical string theory영어)들의 세계면 등각 장론의 하나로 등장한다.[31]

d차원 시공간에서 움직이는 비임계 끈의 작용은 다음과 같은 리우빌 이론이다.[24]


  • c=26-d
  • Q=\sqrt{(25-d)/6}


리우빌 이론은 경이론의 비-임계 버전을 경로 적분 공식으로 공식화하려는 시도에서 나타난다.[17] 이 이론은 선형 딜라톤타키온 배경을 가진 2차원 시공간에서의 보존적 끈 이론의 설명으로도 나타난다. 선형 딜라톤 배경에서의 타키온 장 운동 방정식은 지수 함수 해를 갖도록 요구한다. 이 배경에서의 폴리야코프 작용은 리우빌 장 이론과 동일하며, 선형 딜라톤은 배경 전하 항을 담당하고 타키온은 지수 포텐셜에 기여한다.[18]

리우빌 이론은 계량 텐서 g를 동역학적 장으로 취급하면 2차원 양자 중력의 한 종류인 '''리우빌 중력'''(Liouville gravity영어)이라는 장난감 모형이 된다. 2차원에서는 아인슈타인 방정식이 리우빌 방정식으로 축소되기 때문이다. 이는 CGHS 모형 또는 자키우-테이텔보임 중력과 혼동해서는 안 된다.[15][16]

리우빌 이론(c\geq 25)과 특정 로그 상관 랜덤 에너지 모델 사이에는 정확한 매핑이 존재한다.[21] 이러한 모델은 로그 상관 관계가 있는 임의의 포텐셜 내 열적 입자를 설명한다. 2차원에서는 이러한 포텐셜이 가우시안 자유장과 일치한다. 이 경우, 리우빌 이론에서 기본 필드 간의 특정 상관 함수는 입자의 깁스 측정 상관 함수에 매핑된다. 이는 2차원 가우시안 자유장의 극값 통계에 적용되며, 로그 상관 랜덤 에너지 모델(2차원 및 그 이상)의 특정 보편적 특성을 예측할 수 있게 해준다.

7. 1. 끈 이론

끈 이론에서, 리우빌 장론은 10차원 미만의 차원에서 존재하는, 소위 '''비임계 끈 이론'''(non-critical string theory영어)들의 세계면 등각 장론의 하나로 등장한다.[31]

끈 이론에서, d차원 시공간에서 움직이는 비임계 끈의 작용은 다음과 같다.

:c=26-d

:Q=\sqrt{(25-d)/6}

위 식을 만족하는 리우빌 이론이다.[24] 리우빌 이론은 경이론의 비-임계 버전을 경로 적분 공식으로 공식화하려는 시도에서 나타난다.[17] 이 이론은 선형 딜라톤타키온 배경을 가진 2차원 시공간에서의 보존적 끈 이론의 설명으로도 나타난다. 선형 딜라톤 배경에서의 타키온 장 운동 방정식은 지수 함수 해를 갖도록 요구한다. 이 배경에서의 폴리야코프 작용은 리우빌 장 이론과 동일하며, 선형 딜라톤은 배경 전하 항을 담당하고 타키온은 지수 포텐셜에 기여한다.[18]

7. 2. 2차원 양자 중력

리우빌 이론은 계량 텐서 g를 동역학적 장으로 취급하면 2차원 양자 중력의 장난감 모형이 된다. 이 경우, 이 이론을 '''리우빌 중력'''(Liouville gravity영어)이라고 한다.

2차원에서는 아인슈타인 방정식이 리우빌 방정식으로 축소되므로, 리우빌 이론은 양자 중력의 한 종류인 리우빌 중력을 제공한다. 이는 CGHS 모형 또는 자키우-테이텔보임 중력과 혼동해서는 안 된다.[15][16]

7. 3. 무작위 에너지 모형

리우빌 이론(c\geq 25)과 특정 로그 상관 랜덤 에너지 모델 사이에는 정확한 매핑이 존재한다.[21] 이러한 모델은 로그 상관 관계가 있는 임의의 포텐셜 내 열적 입자를 설명한다. 2차원에서는 이러한 포텐셜이 가우시안 자유장과 일치한다. 이 경우, 리우빌 이론에서 기본 필드 간의 특정 상관 함수는 입자의 깁스 측정 상관 함수에 매핑된다. 이는 2차원 가우시안 자유장의 극값 통계에 적용되며, 로그 상관 랜덤 에너지 모델(2차원 및 그 이상)의 특정 보편적 특성을 예측할 수 있게 해준다.

8. 기타

리우빌 장론은 음의 곡률을 가진 3차원 일반 상대성 이론, 리만 곡면의 균일화 문제, 등각 사상 등 물리학 및 수학의 여러 분야와 관련이 있다. 또한 AGT 대응을 통해 특정 4차원 초등각 대수 게이지 이론의 인스턴톤 분배 함수와도 관련되어 있다.

참조

[1] arXiv Conformal field theory on the plane
[2] journal Two and three point functions in Liouville theory 1994
[3] journal Conformal bootstrap in Liouville field theory 1996
[4] journal A lecture on the Liouville vertex operators
[5] arXiv Conformal Bootstrap in Liouville Theory
[6] journal Modular bootstrap in Liouville field theory
[7] journal Liouville theory with a central charge less than one
[8] journal Cylinder quantum field theories at small coupling
[9] arXiv Integrability of Liouville theory: Proof of the DOZZ Formula
[10] journal Rolling Tachyons from Liouville theory
[11] journal H(3)+ correlators from Liouville theory
[12] journal H^+_3 WZNW model from Liouville field theory
[13] journal A family of solvable non-rational conformal field theories
[14] journal Liouville Field Theory: A Decade After the Revolution 2004
[15] Submitted manuscript Dilaton Gravity in Two Dimensions https://cds.cern.ch/[...] 2002-10
[16] journal Ramifications of Lineland http://mistug.tubita[...]
[17] journal Quantum geometry of bosonic strings 1981
[18] book String Theory Volume I: An Introduction to the Bosonic String Cambridge University Press 1998
[19] journal Correlators in Timelike Bulk Liouville Theory https://projecteucli[...]
[20] journal On the Three-point Function in Minimal Liouville Gravity
[21] journal Operator Product Expansion in Liouville Field Theory and Seiberg type transitions in log-correlated Random Energy Models 2018-01-30
[22] journal The sinh-Gordon model beyond the self dual point and the freezing transition in disordered systems 2021-12-10
[23] arXiv Segal's axioms and bootstrap for Liouville Theory 2021-12-29
[24] 저널 Liouville field theory: a decade after the revolution 2004
[25] 저널 Liouville theory revisited 2001
[26] 서적 https://archive.org/[...]
[27] 저널
[28] 저널
[29] 저널
[30] 저널
[31] 저널 Quantum geometry of bosonic strings



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