Para peneliti mengungkap anomali dualitas elektromagnetik dari Teori Maxwell

[wongdusun]

Para peneliti di Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (WPI) dan Universitas Tohoku di Jepang baru-baru ini mengidentifikasi anomali dalam dualisme elektromagnetik dari Teori Maxwell. Anomali ini, diuraikan dalam makalah yang diterbitkan dalam Physical Review Letters, dapat memainkan peran penting dalam konsistensi teori string.



Studi ini adalah kolaborasi antara Yuji Tachikawa dan Kazuya Yonekura, dua ahli teori string, dan Chang-Tse Hsieh, seorang ahli teori materi terkondensasi. Meskipun penelitian ini dimulai sebagai penyelidikan teori string, studi ini juga memiliki implikasi untuk bidang fisika lainnya.

Dalam teori fisika saat ini, elektromagnetisme klasik dijelaskan oleh persamaan Maxwell, yang pertama kali diperkenalkan oleh fisikawan James Clerk Maxwell sekitar tahun 1865. Objek yang diatur oleh persamaan ini meliputi medan listrik dan medan magnet, partikel bermuatan listrik (misalnya, elektron dan proton), dan monopole magnetik (Yaitu partikel hipotetis yang membawa kutub magnet tunggal).

Sejauh ini, para peneliti tidak dapat mengamati monopol magnetik, namun prediksi teoritis telah menunjukkan keberadaan mereka selama beberapa dekade. Implikasi utama dari keberadaan monopole magnetik adalah kuantisasi semua muatan listrik di alam semesta, yang awalnya diperkenalkan oleh Paul Dirac pada tahun 1931.



"Dalam empat dimensi ruang waktu, muatan listrik selalu merupakan kelipatan bilangan bulat dari beberapa angka minimum, jika ada monopole magnetik," kata Hsieh, Tachikawa dan Yonekura kepada Phys.org melalui email. "Ini disebut kuantisasi muatan Dirac."

Dengan asumsi adanya muatan listrik dan magnet, persamaan Maxwell menghormati simetri tertentu, yang dikenal sebagai dualitas elektromagnetik. Simetri ini diperoleh dengan menukar muatan listrik dan monopole magnetik.

Apa yang terjadi pada dualitas elektromagnetik ini ketika sistem dikuantisasi? Meskipun ini mungkin tampak seperti pertanyaan alami, sangat sedikit penelitian yang mencoba untuk menjawabnya, terutama dalam situasi di mana mencoba menjelaskan dengan mengikuti jalur tertentu dalam ruangwaktu menghasilkan tindakan dualitas yang tidak sepele.

"Sekarang, mari kita kembali ke sisi teori string dari penelitian kami," kata para peneliti. "Teori string memiliki sepuluh dimensi ruangwaktu, dan ada analogi dimensi Dirac yang lebih tinggi. Namun, juga diketahui bahwa beberapa objek dalam teori string, yang disebut orientifold, melanggar kuantisasi Dirac."

Secara umum, ketika ada ketidakkonsistenan yang jelas dalam teori string, inspeksi yang lebih dekat cenderung menjelaskannya dan memberikan bukti yang mengukuhkan validitas teori tersebut. Sementara beberapa peneliti mampu menjelaskan sebagian pelanggaran kuantisasi Dirac yang diamati dalam orientifold dengan mempertimbangkan anomali fermion, dalam penelitian sebelumnya, Tachikawa dan Yonekura menyarankan perlunya efek yang tidak kentara yang melibatkan sifat kuantum dualitas elektromagnetik.

"Kami menemukan bahwa simetri dualitas ini sedikit dilanggar secara mekanis," jelas para peneliti. "Ini adalah anomali yang dipelajari di jurnal. Terlebih lagi, pelanggaran itu justru dibatalkan terhadap pelanggaran kuantisasi Dirac dalam teori string. Pengamatan kami dengan demikian dapat membantu menyelamatkan teori string dari ketidakkonsistenan ini."
Dalam studi mereka, Hsieh, Tachikawa dan Yonekura menganalisis anomali yang mereka identifikasi dalam dualitas elektromagnetik teori Maxwell menggunakan dua metode yang saling terkait. Pertama, mereka menganggapnya berada pada batas fase materi topologis yang dilindungi simetri.

"Ini adalah sudut pandang yang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir oleh ahli teori materi terkondensasi, dan satu contoh terkenal adalah bahwa fermion tanpa celah muncul di permukaan isolator topologi," Hsieh, Tachikawa dan Yonekura menjelaskan. "Dalam kasus kami, kami menganggap teori Maxwell dimensi 3 + 1 sebagai berada pada batas fase topologis 4 + 1 dimensi materi."

Pengaturan yang digunakan oleh para peneliti sedikit berbeda dari yang dipelajari oleh fisikawan benda terkondensasi, yang biasanya fokus pada teori hingga tiga dimensi spasial dan satu dimensi waktu. Teknik-teknik yang biasanya digunakan oleh fisikawan benda terkondensasi, bagaimanapun, juga bisa diterapkan pada anomali ini.

"Hsieh bekerja pada anomali fermion 3 + 1 dimensi dari sudut pandang ini dalam karya sebelumnya, jadi kami memutuskan untuk menggabungkan kekuatan untuk mempelajari anomali teori Maxwell dengan cara ini," jelas para peneliti. "Pada akhirnya, kami menemukan bahwa anomali teori Maxwell yang kami tentukan dalam karya ini sama dengan anomali 56 fermion yang sebelumnya ditentukan oleh Hsieh dalam makalahnya."

Cara kedua di mana para peneliti menganalisis anomali dalam dualitas elektromagnetik teori Maxwell melibatkan teori string. Lebih tepatnya, mereka menganggapnya dalam konteks teori-M, yang diyakini sebagai penyatuan semua teori string.

Meskipun dualitas elektromagnetik agak misterius dalam empat dimensi ruangwaktu, itu menjadi nyata jika dipertimbangkan dari perspektif teori-M. Selain itu, teori-M menyediakan cara untuk menganalisis bagaimana dualitas elektromagnetik sedikit dilanggar oleh apa yang dikenal sebagai anomali gravitasi. Para peneliti juga dapat menggunakan teori ini untuk menjelaskan mengapa teori Maxwell memiliki anomali yang sama dengan 56 fermion.

"Ada sejumlah besar bukti bahwa teori string adalah teori gravitasi kuantum yang konsisten, terlepas dari apakah itu menggambarkan dunia kita atau tidak," kata Hsieh, Tachikawa dan Yonekura. "Pekerjaan kami menambah bukti kecil tapi baru bahwa teori string benar-benar konsisten dengan cara yang halus dan mengejutkan."

Analisis yang dilakukan oleh Hsieh, Tachikawa dan Yonekura mengkonfirmasi konsistensi teori string, menjelaskan ketidakkonsistenan yang mereka identifikasi dalam studi sebelumnya. Selain itu, karya mereka memberikan wawasan yang menarik tentang teori Maxwell, yang merupakan salah satu konstruksi fisik yang paling banyak dipelajari.

"Bahkan 150 tahun setelah Maxwell memperkenalkan persamaannya, masih banyak yang bisa ditemukan," kata para peneliti. "Lebih konkret, seringkali berguna untuk 'mengukur' suatu simetri, yang pada dasarnya berarti menjadikannya lokal dan dinamis. Elektromagnetisme dan gravitasi muncul dari pengukuran simetri fase-rotasi fungsi gelombang dari partikel bermuatan, dan mengukur koordinat umum transformasi ruangwaktu, masing-masing. Hasil kami menyiratkan bahwa tidak mungkin untuk mengukur simetri dualitas elektromagnetik, karena anomali nya. "

Meskipun penelitian terbaru yang dilakukan oleh tim peneliti ini menghasilkan beberapa temuan menarik, penelitian ini tidak menggambarkan gambaran lengkap kuantisasi Dirac dalam teori string. Dalam pekerjaan masa depan mereka, para peneliti dengan demikian berniat untuk menyelidiki topik ini lebih lanjut, dengan harapan dapat membuat penemuan baru yang menarik.

"Kami juga ingin memahami lebih dalam hubungan antara anomali sistem d-dimensi dan fase topologi yang dilindungi simetri dalam dimensi (d +1)," kata para peneliti. "Banyak makalah yang telah ditulis tentang masalah ini, baik oleh ahli teori materi terkondensasi maupun oleh ahli teori string, tetapi tampaknya ada lebih banyak yang harus dipahami."