T-이중성

끈 이론 T-이중성과 S-이중성은 서로 다른 것처럼 보이는 [[초끈 이론들을 서로 연관짓는다. T-이중성에 따라, ⅡA형과 ⅡB형 초끈 이론이 서로 동형이고, E8×E8 잡종 끈 이론과 SO(32) 잡종 끈 이론이 서로 동형이다.]] 끈 이론에서 **T-이중성**(T-二重性, T-duality) 또는 **과녁 공간 이중성**(target space duality)은 서로 다른 두 시공간 (과녁 공간) 위의 끈 이론이 서로 같은 현상이다.bibcode=1994PhR...244...77G언어=en언어=en187–248연도=1998232–281 대략, 끈의 길이보다 아주 작은 차원은 끈의 길이보다 아주 큰 차원과 동등하다. 따라서, 끈 이론에서의 시공간은 점입자 이론에서의 시공간과 근본적으로 다르고, 매우 짧은 길이와 매우 긴 길이에 대한 차이가 사라진다.
# 정의
원기둥에 축소화한 닫힌 보손 끈을 생각하자. 축소 차원의 크기가 2\pi R이라고 하자. 그렇다면 축소 차원에서의 운동량은 1/R의 단위로 양자화된다. :p=n/R, n\in\mathbb Z 끈은 또한 축소 차원에 따라 (점입자와 달리) 감길 수 있다. 닫힌 끈의 경우, 축소 차원에 따라 감긴 수를 **감음수**(winding number) w라고 부른다. 닫힌 끈의 감음수. 시계 방향으로 감기면 음수, 시계 반대 방향으로 감기면 양수로 친다. 그렇다면 끈의 질량은 다음과 같다. : m^2=\frac{n^{2{R^{2+w^{2}R^{2}+2\left(N+\tilde{N}-2\right) 여기서 N+\tilde N은 끈의 총 진동 모드의 수다. (\alpha'=1로 놓자.) 따라서 :R\leftrightarrow 1/R\quad n\leftrightarrow w 와 같이 바꾸면 끈의 질량 스펙트럼이 같은 것을 알 수 있다. 또한 마찬가지로 끈의 상호 작용도 같다는 사실을 보일 수 있다. 끈 이론에서는 T-이중성으로 인하여 매우 작은 차원이 매우 큰 차원과 동등하다. 이는 이론의 질량 스펙트럼으로 확인할 수 있다.
## 열린 끈과 D-막의 T-이중성
열린 끈의 경우, 노이만 경계 조건이 디리클레 경계 조건에 대응됨을 알 수 있다. 따라서 이론에 디리클레 경계조건과 D-막을 포함하여야 한다. 이에 따라, Dp-막은 (축소화하는 방향에 따라서) Dp-막 또는 D(p-1)-막에 대응된다.
## 등각 장론의 관점
T-이중성은 2차원 등각 장론의 관점에서 이미 등장한다. 가장 간단하게, 스칼라장 :X \colon \Sigma \to \mathbb R/(2\pi R\mathbb Z) 을 생각하자. 그렇다면, 그 분배 함수는 다음과 같은 꼴이다.언어=en124, (4.19) :Z_R(\tau,\bar\tau) = \frac1{|\eta(\tau)|^2} \sum_{m,n\in\mathbb Z} q^{\frac12(m/R+Rn/2)^2}\bar q^{-\frac12(m/R-Rn/2)^2} 여기서 :q = \exp(2\pi\mathrm i\tau) :\bar q = \exp(2\pi\mathrm i\bar\tau) 이며, \eta는 데데킨트 에타 함수이다. 그렇다면, 푸아송 재합 공식(Poisson resummation formula)을 통하여 :Z(\tau;R) = Z(\tau+1;R) = Z(-1/\tau;R) = Z(\tau;2/R) 임을 보일 수 있다.125, §4.2 물리학적으로, 처음 두 등식은 모듈러 군의 작용이며, 마지막 등식은 끈의 T-이중성을 나타낸다.
## 여러 차원의 축소화
여러 개의 차원을 축소화할 경우, T-이중성 군은 더 커진다.265–286246–255 k개의 차원을 축소화할 경우, T-이중성 군은 \operatorname O(k,k,\mathbb Z)이다. 이 군은 다음 성질을 만족하는 2k\times2k 정사각행렬 M들의 군이다. * M은 유니모듈라 행렬(unimodular matrix)이다. 즉, M의 모든 성분은 정수이며, M^{-1}이 존재하고, M^{-1}의 모든 성분도 정수이다. * M은 계량 부호수가 (k,k)인 계량 텐서에 대한 직교행렬이다. 즉, \Omega=\begin{pmatrix} 0_n&I;_n\\\ I_n&0_n \end{pmatrix} (I_n은 n\times n 단위행렬, 0_n은 n\times n 영행렬)이면, M^\top\Omega M=\Omega이다.
## 초끈 이론에서의 T-이중성
초끈 이론에서는 T-이중성은 ⅡA와 ⅡB종 이론, HE와 HO 이론을 각각 서로 연관짓는다. 즉, 축소화의 관계는 다음과 같다. :\begin{matrix} D=11 & \mathrm{M} \\\ & \downarrow \\\ D=10 & \mathrm{IIA} & & \mathrm{IIB} & \mathrm{H}\operatorname E_8\times\operatorname E_8 & & \mathrm H\operatorname{SO}(32) \\\ & \downarrow & \swarrow & & \downarrow & \swarrow \\\ D=9 & \mathcal N=2 & & & \mathcal N=1 \end{matrix} Ⅰ종 끈 이론은 T-이중성 변환을 하면 D-막에 의하여 (10차원) 푸앵카레 대칭이 깨지게 된다. 이 이론을 **Ⅰ′종 이론**(Type Ⅰ′) 또는 **ⅠA종 이론**(Type IA)이라고 한다.224–226언어=en 이 이론은 ⅡA종 끈 이론에 오리엔티폴드 사영을 가한 것으로 볼 수 있다. ⅡA종 끈 이론에서는 오른쪽 및 왼쪽 모드가 서로 반대 손지기(chirality)를 가지므로, 사영을 하려면 향의 반전 \Omega와 축소 차원에 대한 반사를 합성한 연산에 대하여 사영하여야 한다. 이에 따라 I′종 이론은 두 개의 O8−-평면을 가지고, 또한 T-이중성에 따라서 32개의 D8-막을 가진다. T-이중성 아래, NS-NS 배경장 (g,B,\Phi)은 다음과 같은 **부셔 규칙**(Buscher rule)을 통해 변환한다.(1.0.2) :g_{11}'=\frac1{g_{11 :g_{1i}'=\frac{B_{1i{g_{11 :g_{ij}'=g_{ij} - \frac{g_{1i}g_{1j}-B_{1i}B_{1j{g_{11 :B_{1i}'=\frac{g_{1i{g_{11 :B_{ij}'=B_{ij}-\frac{g_{1i}B_{1j}-g_{1j}B_{1i{g_{11 :\Phi' = \Phi-\frac12\ln g_{11} 여기서 * 1은 T-이중성을 취하는 방향의 좌표의 지표이며, i,j는 다른 방향의 좌표의 지표이다. * g는 중력장이다. * B는 캘브-라몽 장이다. * \Phi는 딜라톤이다.
## 위상 T-이중성
위상 T-이중성 보다 일반적으로, T-이중성은 원과의 곱공간 대신 원을 올로 하는 올다발에 대하여 적용될 수 있다. 이 경우 T-이중성은 서로 위상 동형이지 않을 수 있는 올다발 사이의 쌍대성을 정의한다.
# 초중력의 T-이중성
초끈 이론의 저에너지 극한은 초중력이다. ⅡA 초끈 이론의 저에너지 극한은 10차원 ⅡA 초중력이고, ⅡB 초끈 이론의 저에너지 극한은 10차원 ⅡB 초중력이다. 이 경우, T-이중성에 의하여 10차원 ⅡA 초중력을 원 위에 축소화하여 얻는 9차원 \mathcal N=2 초중력과 ⅡB 초중력을 원 위에 축소화하여 얻는 \mathcal N=2 초중력은 서로 같다. 즉, 비축소화 ⅡA와 ⅡB 이론들은 하나의 축소화 초중력 모듈러스 공간의 경계에 위치해 있다. 그 자세한 대응성은 다음과 같다. 10차원 ⅡA 초중력의 보손 장과 10차원 중 한 차원을 축소화하여 얻는 9차원 장들은 다음과 같다. {| class="wikitable" |- ! ⅡA 10차원 장 !! 축소화 뒤 9차원 장들 |- | 중력장 || 중력장, 벡터장, 스칼라장 |- | 캘브-라몽 2차 형식 || 2차 형식, 벡터장 |- | 딜라톤 || 스칼라장 |- | 라몽-라몽 1차 형식 || 벡터장, 스칼라장 |- | 라몽-라몽 3차 형식 || 3차 형식, 2차 형식 |- ! 합계 !! 중력장, 스칼라장 (×3), 벡터장 (×3), 2차 형식 (×2), 3차 형식 (×1) |} ⅡB 초중력의 보손 장과 이를 축소화하여 얻는 장들은 다음과 같다. {| class="wikitable" |- ! ⅡB 10차원 장 !! 축소화 뒤 9차원 장들 |- | 중력장 || 중력장, 벡터장, 스칼라장 |- | 캘브-라몽 2차 형식 || 2차 형식, 벡터장 |- | 딜라톤 || 스칼라장 |- | 라몽-라몽 0차 형식 || 스칼라장 |- | 라몽-라몽 2차 형식 || 2차 형식, 벡터장 |- | 라몽-라몽 4차 형식 || 3차 형식 |- ! 합계 !! 중력장, 스칼라장 (×3), 벡터장 (×3), 2차 형식 (×2), 3차 형식 (×1) |} (ⅡB 라몽-라몽 4차 형식의 장세기는 자기 쌍대(self-dual)이므로, 축소화하면 4차 형식을 남기지 않는다.) 따라서 9차원으로 축소화하면 9차원 보손 장들의 종류와 개수가 같아지는 것을 알 수 있다.
# 역사
오사카 대학의 깃카와 게이지(きっかわ けいじ)와 야마사키 마사미(やまさき まさみ)가 1984년에언어=en, 도쿄 공업대학의 사카이 노리스케(さかい のりすけ)와 센다 이쿠오(せんだ いくお)가 1986년에언어=en 초기적인 형태로 도입하였다. 토머스 헨리 부셔(Thomas Henry Buscher)bibcode=1985PhLB..159..127Bbibcode=1987PhLB..194...59Bbibcode=1988PhLB..201..466B와 마르틴 로체크(Martin Roček), 에리크 페터르 페를린더(Erik Peter Verlinde)언어=en 가 이를 개량하고 확장하였다. 오늘날에는 이와 같은 가환(Abelian) T-이중성 말고도, 이를 일반화한 비가환 T-이중성bibcode=2011ForPh..59.1149S과 페르미온 T-이중성bibcode=2008JHEP...09..062B언어=en이 알려져 있다. 또한, 거울 대칭도 T-이중성을 일반화한 것으로 볼 수 있다.언어=en