2020-01-15 QFT:modern calculus

紧锣密鼓的课程,知识在头脑中爆炸。前半程的课程是:string phenomenology,advanced dynamics in d=2+1 QFT, machine learning& deep learning, quantum information.

我最感兴趣的还是QFT的部分,结合Seiberg string 2019的QFT vision talk食用,风味更佳,我也终于对Seiberg他们的工作有了一点理解。一个让我突破思维的关键就是要结合condense matter physics的方面来理解量子场论。
在school还有Seiberg的talk中都提到的一个观点是:QFT并不是一个topic而是一种language,虽然QFT是在研究基本粒子理论时发展起来的,但是现在已经被应用到理论物理的方方面面,就如同微积分一样。作为语言的强大的地方就是,无论什么问题,我们都可以尝试用场论的模型是思想来考虑,场论本身给我们提供了数学之外的“物理图像”。抛开粒子物理,我们就可以从更一般的角度来理解场论本身。粒子物理本身的subject就是场,但是对于其他的问题,怎么自然引入场的感念,换句话说,场究极是描述了什么样的自由度。
从高能的角度来说,就是不关心真正的UV completion,只考虑低能的物理,就是我们使用的有效场论。
从凝聚态的角度来说,UV理论就是一个lattice model,我们可以放任何的自由度进去,但是如果我们只关心long distance的物理,也就是我们RG flow的IR, 我们总是可以到一个经典的统计场论。某处程度来说,一个thermo的经典场论等价于一个zero temperature的量子场论(这个场论和高能物理中遇到的场论是同一种东西)。
知道了场论描述了什么,很自然地就是对场论分类。

  1. Trivially gapped model (massive field theory)。可以理解为背后的lattice model在全部参数空间并不存在任何有趣的long distance 物理,低能下,没有任何激发,也就只有一个真空态。
  2. Gapless model (CFT)。这也是general RG flow 的结论。
  3. Topological order. 虽然理论还是gapped,但是真空态不是trivial的,比如真空态是一个纠缠态?这是什么意思?non-trival真空态的直观意义用lattice的描述就是,它不能写成一个lattice上每一个site的乘积形式。

接下来的问题,上面的情形分别在什么情况下会出现。前两种情况比较简单,对于短程相互作用的lattice model,一般都对应了情形1,只有当model存在二级相变的时候,也就是存在critical point的时候,就对应了第二种情形。这里出现的一个有趣的现象就是duality,就是可能同一个UV(lattice)model的IR physics 可以用不同的场论理论来描述。如何寻找duality?
刚才我们提到massive field theory是低能下是trivial的,我们可以在UV理论上加入任意的massive field theory,他们对应的IR physics应该也是等价的,但是加入的massive field theory和原有的 UV的自由度相互作用,会导致不同的IR理论。这样就给出了duality。这也引入了一个 deformation class of the QFT的概念。一个猜测是,多有的对偶理论在deformation class这个空间里都是连续的,也就是说所有对偶都可以用上面说的方法实现。而deformation class是由global symmetry还有‘t Hooft anomaly来organize(分类)。

第三种情形是最近才发现的。如何理解拓扑序呢?简单的来说,可以认为真空态是由一个拓扑场论来描述的。比如Chen-Simons理论,我们知道Chen-Simons理论的Hilbert空间并不是trivial的,因为可以加入一些defects 。因为理论是拓扑的,我们移动这些defect,但是我们发现,如果我们让一个defect绕着另一个defect移动一周,会给出了一个拓扑不变量。

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