量子引力對稱性的猜想，科學家已證明全息對稱性的限制！
麻省理工學院(MIT)和加州理工學院(Caltech)以及東京大學研究人員研究了一組關於量子引力對稱性的老猜想。具體猜想：(1)量子引力不允許全局對稱性；(2)對於規範對稱，必須實現所有可能的電荷；(3)內規組必須緊湊。研究人員發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的論文表明，這些舊假設在反德西特/保角場理論(AdS-CFT)的對應關係中成立。開展這項研究的研究人員之一Hirosi Ooguri說：從歷史上看，對稱的概念在物理學中扮演著重要角色。
無論是在確定和形成自然的基本定律，還是在利用這些定律來理解和預測自然現象，比如動力學和物質的相位。然而，有理論證據表明，一旦我們把引力和量子力學(現代物理學的兩個基本概念)結合起來，所有的全息對稱性都消失了。在物理學中，對稱可以有兩種：規範對稱和全局對稱。幾十年來，研究人員一直提出，在量子引力中不應該存在全局對稱性，因為引力和量子力學的統一理論不允許任何對稱性。這是一個深刻的主張，具有重要的後果。
例如，它預測質子在衰變為其他粒子時是不穩定的，參與這項研究的另一位研究員丹尼爾哈洛(Daniel Harlow)說：粒子物理學的標準模型具有兩種對稱性，所以我們預測，全息對稱性只能是近似的。到目前為止，這個想法得到了一些間接的支持，但沒有令人信服的論據。在研究論文中，在AdS/CFT通信的特殊情況下給出了我們認為相當有說服力的論據。這種對應關係給出了我們最理解的量子引力理論，能夠證明它不允許全息對稱。
在研究人員發表該論文之前，其他研究人員提出了支持量子引力(量子力學和引力的統一)不可能有任何對稱性的論點。儘管如此，這些論點經常出現邏輯上的漏洞，例如未能解決一些重要的情況(如離散對稱)。Ooguri說：我們的新論文在AdS/CFT通信的背景下為這一說法提供了一個嚴格證明。在AdS/CFT通信中，量子引力以數學上精確的方式定義，我們已經用最普遍的方式定義了量子引力，排除了量子引力中所有可能的全息對稱性。
提出的證明基於兩個重要思想：量子引力的全息原理和量子糾錯碼。全息原理最初是由傑拉德·t·霍夫特和倫納德·蘇斯金德在90年代初提出，但後來被廣泛應用。其中最重要的進展之一是胡安?馬爾達塞納(Juan Maldacena)發現的AdS/CFT通信。Ooguri和Harlow希望證明量子引力的數學定理，因此他們需要對全息原理的精確定義。決定採用AdS/CFT的通信方式，因為這是他們覺得能夠實現目標的唯一途徑，基本工具是量子誤差校正、AdS/CFT通信和量子場論。
也許這裡要傳達的最重要的一點是，儘管AdS/CFT是一個美麗的量子引力理論，但它並不是我們這個世界的量子引力理論。這是一個物理學家喜歡研究的玩具模型(比如著名的球形牛)。然而，研究人員相信，只要我們小心謹慎，能從這個玩具模型中學到的經驗教訓。幾年前，另一個包括哈洛在內的研究小組表明，全息術在量子引力中起作用的方式與量子計算中量子誤差修正方式類似。在AdS/CFT通信中，反德西特空間中的時空幾何是從保角場理論中的量子糾纏中產生。
研究人員證明，從CFT的角度來看，湧現的幾何數據實際上是量子糾錯碼。在新研究中，要證明這一定理，必須從先前的研究中得到啟示。在新研究中，Ooguri和Harlow發現量子糾錯的工作方式與任何對稱性都不相容。因此，一旦量子力學和重力融合，就沒有對稱是精確的。人們普遍認為對稱性是自然界的一個基本概念，許多物理學家認為，自然界一定存在一套美麗的定律，而量化美麗的一種方法就是通過對稱性。一些對稱性可能隱藏在我們的世界中(或者用物理學術語來說是「自發破壞」)。
但如果我們從更基本的層面觀察自然，它們可能會顯現出來。研究人員證明了上述觀點是錯誤的，在最基本的層面上，量子力學和引力是統一的，自然法則沒有全局對稱性。由Ooguri和Harlow進行的這項研究為物理學領域帶來了關鍵洞見，排除了在廣泛的量子引力理論中存在全息對稱性的可能性。其發現對許多領域的研究都有意義，例如預測質子的不穩定性。研究結果預測，質子不應該是穩定的。這並不明顯，但它也預測了磁單極子的存在：攜帶磁荷的孤立物體。到目前為止，我們從未見過這樣的物體，但人們仍在尋找它們。
不幸的是，研究結果還不足以說明應該存在多少個單極子，它們應該在哪裡，或者我們要等多久才能看到質子衰變。在未來的研究工作中，Harlow和Ooguri想量化對稱性是如何被打破的。到目前為止，只是證明了量子引力不可能有任何對稱性，除非闡明它是如何被分離的。例如，他們的發現表明質子應該衰變，但是他們並沒有闡明它是如何衰變，或者在衰變之前它能存在多久，這些都是非常重要的問題，研究人員希望在未來的研究中解決。
Ooguri說：我是東京大學宇宙物理和數學Kavli研究所的所長，該研究所參與了將在日本中部山區Kamioka鋅礦建立的hyhykiokande項目。這個項目的目的之一是看看質子是否會衰變，為了做這個實驗，研究人員將在礦井中建造一個大型水箱。根據研究的定理，質子應該衰變。但是，我們不能告訴實驗人員水箱的大小，使他們能夠在合理的時間內看到質子衰變。這就是為什麼量化對稱性如何被破壞是至關重要的一個例子。
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參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.191601
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