반 더시터르 공간
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1. 개요
반 더시터르 공간은 음의 우주 상수를 갖는 아인슈타인 방정식의 해로, 민코프스키 공간에 등거리로 매립될 수 있는 부분 공간이다. 이 공간은 시간꼴 폐곡선을 포함할 수 있어, 물리학에서는 범피복 공간을 주로 사용한다. 반 더시터르 공간은 다양한 좌표계를 가지며, 양자장론, 초대칭, 음수 제곱 질량, 블랙홀 열역학 등에서 독특한 특징을 보인다. 특히 AdS/CFT 대응성에서 중요한 역할을 하며, 빌럼 드 시터르의 이름을 따서 명명되었다.
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반 더시터르 공간 | |
---|---|
개요 | |
![]() | |
유형 | 최대칭 공간 |
부호 | 로렌츠 |
곡률 | 음의 상수 스칼라 곡률 |
대칭군 | O(p+1, 2) |
관련 개념 | 더 시터르 공간 |
상세 정보 | |
정의 | 음의 우주 상수 Λ을 가진 진공 아인슈타인 방정식의 최대칭 로렌츠 해 |
차원 | n차원 |
계량 | ds² = -(1 + r²/L²)dt² + dr²/(1 + r²/L²) + r²dΩ²_{n-2} |
특징 | 등거리 변환 그룹은 O(p+1, 2)이다. 공식적 경계를 가진다. |
활용 | 끈 이론 M-이론 AdS/CFT 대응성 응집물질물리학 |
2. 정의 및 성질
반 더시터르 공간은 특정 부호수를 가지는 민코프스키 공간에 등거리 묻기를 통해 정의된다. 이 공간은 일반 상대성 이론과 AdS/CFT 쌍대성에서 중요한 개념으로 다루어진다.
일반 상대성 이론에서 중력은 물질이나 에너지의 존재로 인해 발생하는 시공간의 곡률로 설명되며, 이는 음의 곡률을 갖는 반 더시터르 공간으로 표현될 수 있다. 반 더시터르 공간은 우주 상수와도 관련이 있는데, 음의 우주 상수를 갖는 경우에 해당하며, 이는 양의 우주 상수를 갖는 드시터르 공간과는 대조적이다.
2. 1. 정의
부호수가 인 반 더시터르 공간은 부호수가 인 민코프스키 공간에 국소적으로 등거리 묻기가 가능하다. -민코프스키 공간의 계량 형식은 다음과 같다.:
이 때, '''반 더시터르 공간'''은 다음 식을 만족하는 부분공간으로 정의할 수 있다.
:
여기서 는 양의 실수로, '''반 더시터르 반지름'''(anti-de Sitter radius영어)이라고 불린다. 즉, 반 더시터르 공간은 민코프스키 공간에서의 구이다. 이면 이는 일반적인 쌍곡공간이 된다.
2. 2. 시간꼴 폐곡선과 범피복 공간
인 경우, 반 더시터르 공간은 시간꼴 폐곡선(closed timelike curve)을 가질 수 있다. 인 경우, 범피복 공간을 취하여 시간꼴 폐곡선을 없앨 수 있다. (인 경우는 그렇지 않다.)[5] 시간꼴 폐곡선은 물리학적으로 역설적인 상황을 야기하므로, 일반적으로 물리학에서는 범피복 공간을 취하여 이러한 문제를 해결한다. 예를 들어, 로 매개변수화되고 다른 모든 좌표가 0인 경로는 그러한 곡선이다. 인 경우, 이 곡선들은 기하학에 고유하다.2. 3. 등거리변환군
반 더시터르 공간의 등거리변환군은 범피복 공간을 취하지 않은 경우 이다. 범피복 공간을 취한 경우, 등거리변환군은 의 어떤 피복군이 된다.이는 반 더시터르 공간을 대칭 공간으로 정의함으로써 가장 쉽게 이해할 수 있다. 2-구가 두 직교군의 몫으로 표현될 수 있는 것처럼, 반 더시터르 공간은 두 일반화된 직교군의 몫으로 볼 수 있다.
:
P 또는 C가 없는 AdS는 스핀 군의 몫으로 볼 수 있다.
:
2. 4. 등각 경계
반 더시터르 공간은 시간꼴 등각 경계를 가진다. ''n''차원 반 더시터르 공간의 등각 경계는 위상수학적으로 이고,[9][10] 범피복 공간을 취하면 이다. 등각 경계가 시간꼴이므로, 반 더시터르 공간은 코시 곡면을 가지지 않는다. 따라서 주어진 시간에 초기 조건을 설정해도, 등각 경계에 경계 조건을 부여하지 않으면 초기값 문제를 풀 수 없다.특히, 빛의 속력으로 움직이는 입자는 유한 시간 안에 반 더시터르 공간의 등각 경계에 도달할 수 있다. 정적 좌표계에서 입자의 궤적이 라고 할 때, 입자가 빛의 속력으로 움직이므로
:
이다. 따라서
:
이고,
:
이다. 즉, 원점 에서 등각 경계 에 도달하기까지 걸리는 시간은
:
임을 알 수 있다.
2. 5. 푸앵카레 조각
푸앵카레 조각(Poincaré patch영어)은 푸앵카레 좌표계로 나타낼 수 있는 반 더시터르 공간의 부분공간이다. 푸앵카레 조각의 등각 경계는 ''n''-1차원 민코프스키 공간이며, AdS''n''의 등거리사상군 SO(''n''-1,2)는 이 민코프스키 공간의 등각변환군으로 작용한다. 이는 AdS/CFT 대응성에 핵심적인 역할을 한다.[9]반 더시터르 공간의 일부분을 덮는 좌표 패치로부터 반 더시터르 공간의 좌표화가 얻어진다. 이 패치에 대한 계량 텐서는 다음과 같다.
:
여기서 이면 반 공간이 얻어진다. 이 계량은 평탄한 민코프스키 시공간의 반 공간과 등각 합동이다.
이 좌표 패치의 일정한 시간 슬라이스는 푸앵카레 반 공간 계량에서의 쌍곡 공간이 된다. 의 극한에서는 이 반 공간 계량은 민코프스키 계량 과 등각 합동이다. 이처럼, 반 더시터르 공간은 무한대에서 등각적인 민코프스키 공간을 포함한다("무한대"란 이 패치에서의 y 좌표가 0인 점을 포함한다).
AdS 공간에서 시간은 주기적인 반면, 그 보편 피복은 비주기적인 시간을 갖는다. 위의 좌표 패치는 시공간의 반 주기를 덮는다.
다음 매개변수 표시에 의해,
:
푸앵카레 좌표에서의 계량은 다음과 같다.
:
여기서 이다. 여차원 2의 표면 은 푸앵카레-킬링 지평선이며, 에서 다양체의 경계에 접근하기 때문에, 글로벌 좌표와는 달리 푸앵카레 좌표는 다양체 모두를 덮지 않는다. 를 사용하면, 이 경로는 다음과 같이 쓸 수 있다.
:
여기서 이다. 변환 에 의해, 다음과 같이 쓸 수도 있다.
:
3. 좌표계
반 더시터르 공간에는 여러 좌표계를 정의할 수 있다. 흔히 쓰이는 좌표계는 다음과 같다.
- 전역 좌표계 (Global Coordinates)
은 전역 좌표계에서 다음과 같은 매개변수 로 표현할 수 있다.
:
여기서 는 구면의 매개변수이다. 즉, ,
,
등이 된다. 이 좌표계에서의 의 계량은 다음과 같다.
:
여기서 이며 이다. 시간 의 주기성을 고려하면, 시간적 닫힌 곡선 (CTC)을 피하기 위해 보편 피복 를 취할 필요가 있다. 극한 에서 보통 등각 경계라고 불리는, 이 시공간의 경계에 도달한다.
와 라는 변환을 통해, 전역 좌표에서의 일반적인 계량을 얻을 수 있다.
:
여기서 이다.
이 밖에 푸앵카레 좌표계, 정적 좌표계, 동시 좌표계 등등이 있다.
3. 1. 푸앵카레 좌표계
'''푸앵카레 좌표계'''(Poincaré coordinates영어)를 사용하면 AdS''n''의 계량 텐서는 다음과 같이 표현된다.:
반 더시터르 공간의 경계는 에 위치한다. 푸앵카레 좌표계는 반 더시터르 공간 전체를 덮지 않는다. 하나의 푸앵카레 좌표계로 나타낼 수 있는 부분공간을 '''푸앵카레 조각'''(Poincaré patch영어)이라고 한다. 범피복 공간을 취하지 않았을 경우 반 더시터르 공간은 두 개의 푸앵카레 조각으로 이루어진다.
다음 매개변수 표시를 사용하면,
:
푸앵카레 좌표에서의 계량은 다음과 같다.
:
여기서 이다. 여차원 2의 표면 은 푸앵카레-킬링 지평선이며, 에서 다양체의 경계에 접근하기 때문에, 글로벌 좌표와는 달리 푸앵카레 좌표는 다양체 모두를 덮지 않는다.
를 사용하면, 이 경로는 다음과 같이 쓸 수 있다.
:
여기서 이다.
변환 에 의해, 다음과 같이 쓸 수도 있다.
:
3. 2. 정적 좌표계
정적 좌표계(static coordinates영어)를 사용하면 AdS''n''의 계량 텐서는 다음과 같이 표현된다.:
이 좌표계는 반 더시터르 공간 전체를 덮으며, 경계는 에 위치한다.
3. 3. 동시 좌표계
synchronous coordinate|동시 좌표계영어를 사용하면 반 더시터르 공간 AdS''n''을 쌍곡공간 ''H''''n''−1로 엽층을 줄 수 있다. 이는 FLRW 계량의 특수한 경우다.:
:
이 좌표계는 반 더시터르 공간의 일부만을 덮는다.
4. 반 더시터르 공간 위에서의 양자장론
반 더시터르 공간에서의 양자장론은 민코프스키 공간이나 더시터르 공간과는 다른 특징을 가진다. 민코프스키 공간에서는 불변 질량의 제곱()이 항상 음수가 아니어야 하며, 음수인 경우는 타키온이라 불리며 진공의 불안정성을 나타낸다. 하지만 반 더시터르 공간에서는 제곱 질량이 음수인 경우가 가능하다.
차원 반 더시터르 공간에서 제곱 질량이 다음 조건을 만족하면 일관적인 이론을 정의할 수 있다.[13]
:
이 부등식을 브라이텐로너-프리드먼 하한(Breitenlohner–Freedman bound영어)이라고 하며, 페터 브라이텐로너와 대니얼 프리드먼이 1982년에 발견하였다.[14][15]
만약 다음 조건을 만족하면,
:
자유 스칼라장을 경계 조건에 따라 서로 다른 두 가지 방법으로 양자화할 수 있다. (라면 양자화는 유일하다.)
반 더시터르 공간 속의 블랙홀은 최소 온도()를 가진다.[16]
4. 1. 초대칭
더시터르 공간과 달리, 반 더시터르 공간에서는 초대칭이 존재할 수 있다.[11][12] 특히 특정 차원에서는 32개의 초전하(supercharge)를 가지는 초대칭이 존재하며, 이 경우 일중항(singlet) 표현은 다음과 같다.공간 | 초군(supergroup) | 초군의 보손 부분군 | 대응하는 막 | 일중항 |
---|---|---|---|---|
AdS4×S7 | OSp(8|4) | SO(3,2)×SO(8) | M2-막 | 스칼라 (×8), 스피너 (×8) |
AdS5×S5 | PSU(2,2|4) | SO(4,2)×SO(6) | D3-막 | 벡터 (×1), 스피너 (×4), 스칼라 (×6) |
AdS7×S4 | OSp(6,2|4) | SO(6,2)×SO(5) | M5-막 | 손지기(chiral) 2차 미분형식 (×2), 스피너 (×8), 스칼라 (×5) |
이러한 기하학은 끈 이론 또는 M이론에서 나타나는 막(brane)들의 사건 지평선 근처 기하학과 관련이 있으며, AdS/CFT 대응성에서 중요한 역할을 한다.
4. 2. 음수 제곱 질량
민코프스키 공간에서는 불변 질량의 제곱 이 항상 음이 아닌 실수여야 한다. 제곱 질량이 음수인 경우는 타키온이라고 하며, 이는 진공의 불안정성을 나타낸다. 즉, 이러한 경우는 진공이 더 안정한, 타키온을 포함하지 않는 진공으로 붕괴하게 된다. 반면 반 더시터르 공간에서는 제곱 질량이 음수인 경우가 가능하다. 즉, 차원 반 더시터르 공간에서는 제곱 질량이:
을 만족하면 일관적인 이론을 정의할 수 있다.[13] 이 부등식을 브라이텐로너-프리드먼 하한(Breitenlohner–Freedman bound영어)이라고 하고, 페터 브라이텐로너(Peter Breitenlohner)와 대니얼 프리드먼(Daniel Z. Freedman)이 1982년에 발견하였다.[14][15] 만약
:
인 경우 자유 스칼라장을 경계 조건에 따라 서로 다른 두 가지 방법으로 양자화할 수 있다. (라면 양자화는 유일하다.)
반 더시터르 공간에서 음수 제곱 질량이 가능하다는 사실은 AdS/CFT 대응성에서 중요한 역할을 한다.
4. 3. 블랙홀과 열역학
반 더시터르 공간 속의 블랙홀은 최소 온도를 가진다.[16] 이 온도는 대략 다음과 같다.:
5. 역사
반 더시터르 공간과 드 시터르 공간은 네덜란드의 천문학자이자 라이덴 대학교 교수 겸 라이덴 천문대 천문대장이었던 빌럼 더시터르(1872–1934)의 이름을 따서 명명되었다.[5] 빌럼 더시터르는 알베르트 아인슈타인과 1920년대에 라이덴에서 우주의 시공간 구조에 대해 공동 연구를 진행했다.
6. AdS/CFT 대응성
AdS/CFT 대응성은 끈 이론에서 1차원을 더한 반 더시터르 공간의 끈 이론이 특정 차원(예: 4차원)에서 전자기력, 약력, 강력과 같은 양자역학적 힘을 설명할 수 있다는 이론이다.[2] 이는 반 더시터르 공간이 관측된 우주 상수를 가진 일반 상대성 이론의 중력에는 대응되지 않지만, 양자역학의 다른 힘(전자기력, 약력, 강한 핵력 등)에는 대응된다는 것을 뜻한다.[4]
이와 같이 반 더시터르 공간은 무한대에서 민코프스키 공간과 공형 합동이다.[5] AdS 공간에서 시간은 주기적이지만, 그 보편 피복은 비주기적인 시간을 가진다.[6] AdS의 공형적 무한대는 시간적이므로, 공형적 무한대에 대한 경계 조건이 없으면 공간적인 초표면에서 첫 번째 정보를 특정하더라도 미래의 시간 발전은 유일하게 결정되지 않는다.[7]
옆 그림은 반 더시터르 공간의 "반 공간" 영역과 그 경계를 나타낸다. 원통 내부는 반 더 시터르 시공간에 대응하고, 원통 경계면은 그 공간의 공형적 경계에 대응한다.[8]
참조
[1]
논문
A Remarkable Representation of the 3 + 2 de Sitter Group
https://pubs.aip.org[...]
AIP Publishing
1963
[2]
간행물
Case of the Anti-de Sitter Group
https://www.degruyte[...]
De Gruyter
2023-11-01
[3]
웹사이트
singleton representation in nLab
https://ncatlab.org/[...]
2023-11-01
[4]
논문
DBI in the IR
https://dx.doi.org/1[...]
2020-01-07
[5]
citation
Anti-de Sitter space
http://3dhouse.se/in[...]
1998
[6]
논문
Weakly Turbulent Instability of Anti-de Sitter Spacetime
https://journals.aps[...]
[7]
뉴스
Black Holes Help Prove That a Special Kind of Space-Time Is Unstable
https://www.quantama[...]
2020
[8]
arXiv
A proof of the instability of AdS for the Einstein–massless Vlasov system
2018
[9]
저널
Anti-de Sitter boundary in Poincare coordinates
[10]
저널
[11]
서적
[12]
저널
[13]
저널
[14]
저널
[15]
저널
[16]
저널
http://projecteuclid[...]
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