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Text File  |  1994-06-10  |  44.0 KB  |  1,074 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Subject: Loop variables questions
  3. From: baez@guitar.ucr.edu (john baez)
  4. Date: 17 Nov 92 06:58:33 GMT
  5.  
  6. My friend Allen Knutson emailed the following to me, because in the
  7. math department at Princeton (that place beloved to me) the news poster
  8. is DEAD.   My comments are interwoven, marked with an initial JB:
  9.  
  10. Return-Path: <aknaton@math.Princeton.EDU>
  11. Subject: Quantum GR questions
  12. To: baez@ucrmath.ucr.edu
  13. Date: Mon, 16 Nov 92 20:57:54 EST
  14. Cc: aknaton@math.Princeton.EDU (Allen Knutson)
  15.  
  16. AK: I must have some deep misunderstanding about the A,R & S quantum gravity
  17. stuff. I would ask you this on the net, but the nnposter is still broken,
  18. dammit. Certainly feel free to answer on the net, if you don't want to
  19. repeat yourself to other people asking about loopy QGR.
  20.  
  21. First question is about the loop representation of connections. If I
  22. remember right, you said that to a connection and a representation of
  23. the structure group one can associate a number, the trace of the
  24. holonomy around the loop, and with luck one can reconstruct the connection
  25. uniquely up to gauge equivalence from knowing all these numbers. When
  26. is this the case? Obviously the representation must be faithful.
  27.  
  28. JB:  Yes, clearly the representation must be faithful or it won't work.
  29.  
  30. Here's how the loop transform goes again folks.  This will be fairly heavy
  31. going for those not versed in differential geometry, but it's never too late
  32. to learn!
  33.  
  34. First of all, recall the notion of holonomy.  Suppose we are
  35. given a vector bundle E over the manifold M with a connection A.  Let
  36. E_x denote the vector space sitting over some point x in M -- E_x is
  37. called the "fiber" of the vector bundle E over the point x.
  38. Using the connection to parallel translate a vector in E_x around
  39. a loop in M, each loop based at the point x in M gives rise to a holonomy,
  40. that is, a linear transformation of the vector space E_x.    If we take the
  41. trace of this linear transformation we get a number.  This number doesn't
  42. change if we do a gauge transformation on A.
  43.  
  44. Now the transform of a given connection A is the function on the space of loops
  45. given by the trace of the holonomy.  So we may think of the loop transform
  46. as a function from the space of connections modulo gauge transformations to
  47. the space of functions on loops.
  48.  
  49. If for all loops this holonomy lies in a certain subgroup
  50. G of End(E_x) (the space of linear transformations of E_x) we may say that
  51. A is a G-connection.  Given any old Lie group G, we can define the
  52. space of G-connections on E modulo gauge transformations (where we restrict
  53. ourselves to G-valued gauge transformations).  The loop transform can be
  54. regarded as a map from this space to the space of functions on the space
  55. of loops!  (Whew.)
  56.  
  57. When is this one-to-one, AK askes.  I know it is for the defining rep of
  58. SU(2) but not for SL(2,C).  Right now I am confused about the general criterion
  59. for when it is.    I may be screwed up here, but part of what we need
  60. is for the functions
  61.  
  62. tr(g^n)
  63.  
  64. to generate an algebra on G/[G,G] that separates points.  It is easy to see
  65. that they do NOT for SL(2,C).  Take the matrices
  66.  
  67. 1 1+a
  68. 0 1
  69.  
  70. These are conjugate for all a > 0 but not for a = 0.  (This is a good exercise -
  71. they are conjugate by an element of SL(2,C), I mean.)   Thus no
  72. continuous Ad-invariant function on SL(2,C) can separate the points
  73.  
  74. 1 2
  75. 0 1
  76.  
  77. and
  78.  
  79. 1 0
  80. 0 1
  81.  
  82. even though they are not conjugate in SL(2,C).  This is irritating but
  83. it also implies that *no* continuous gauge-invariant function on the space
  84. of connections (in any reasonable topology) can separate gauge equivalence
  85. classes of connections for this gauge group.
  86.  
  87. Hmm, I should reread R. Giles' Reconstruction of gauge potentials from
  88. Wilson loops, Phys Rev D24 (1981) 2160-2168.
  89.  
  90. AK: Second, if we have the numbers for knots, why do people want to know/have
  91. the right to ask for numbers on links? And why is the right answer to demand
  92. the product of the other numbers?
  93.  
  94. MP: a note from me - what I am looking for is a way for the discrete
  95. entities like knots and links to be performing computations, thru loopyQG's
  96. dynamical aspect [QM metaphysical probs aside]
  97.  
  98.  
  99.  
  100. JB: If one had a measure on the space of connections mod gauge transformations,
  101. one could assign a number to any knot, by forming the trace of the holonomy
  102. and then integrating over the space of connections mod gauge transformations.
  103.  
  104. One could also assign a number to any link, by forming the products of the
  105. traces of the holonomies of each of the components of the link (which are
  106. knots).  People do both.
  107.  
  108. AK: Third, it is claimed (if I am reading right) that one of the QG constraints
  109. amounts to saying "The loop functionals must give the same answer on two
  110. isotopic loops". Say we cross a loop through itself, and look at how the
  111. holonomy changes, i.e. smoothly I would have thought.
  112.  
  113. JB:  In this context (quantum gravity) the space of states can be viewed
  114. as a certain space of "measures" on the space of connections modulo
  115. gauge transformations.  Measures on this space must satisfy two constraints to
  116. define states of quantum gravity in the canonical quantization approach:
  117. diffeomorphism-invariance, and the Hamiltonian constraint.
  118.  
  119. Now the loop transform can be extended to define a map from the space of
  120. measures on the space of connections mod gauge transformations to the
  121. space of functions on loops!  (First take the trace,
  122. then integrate over the space of connections with respect to your measure.)
  123. In quantum gravity one would like to say that the loop transform of
  124. a diffeomorphism-invariant measure on the space of connections mod gauge
  125. transformations is a link invariant, that is, only depends on the
  126. ambient isotopy class of the link.  This is true!  But the "measures"
  127. that people are interested in, like the Chern-Simons path integral, are
  128. not really measures in the honest sense.  One must generalize the notion
  129. of a measure, much as one does in the case of linear field theories by
  130. introducing the notion of a "distribution" -- in the sense of the book
  131. with Segal and Zhou.   I'm working on this now.
  132.  
  133. MP: JB's personal research - this notion of generalizing measures to
  134. whatever sort of space the space of connections is - I think I
  135. recall him saying once that his effort was to make CSlike path integrals
  136. rigorous in this context??
  137.  
  138. AK: Fourth, say we have a state s, i.e. a loop functional, and an area operator.
  139. When we apply the area operator A to the state, we get another loop functional,
  140. such that when we then evaluate As on a loop we count the number of
  141. intersections. Doesn't that mean that As isn't constant on loop classes,
  142. and thus isn't a state? Oh dear, perhaps I shouldn't be asking this question,
  143. since it's probably founded on so many misconceptions.
  144.  
  145. JB:  The area operators are not defined in the physical state space
  146. of quantum gravity, in which the diffeomorphism-invariance constraint
  147. has been taken into account!  They are defined in the space of all
  148. "measures on the space of connections mod gauge transformations".
  149.  
  150. AK: Fifth, I notice that I see Ed Witten's name in the ends of many of these
  151. papers; is it not true then that everybody at Princeton hates this approach
  152. to GR? That'd certainly be encouraging.             Allen K.
  153.  
  154. JB: No, it just shows that everyone drops Ed Witten's name.  You're at
  155. Princeton - *you* see if everyone there hates loop variables!
  156.  
  157. Newsgroups: sci.physics
  158. Subject: Re: Hidden variable theories, was: Uncertainty Princi
  159. From: jbaez@riesz.mit.edu (John C. Baez)
  160. Date: Sat, 12 Sep 92 02:06:32 GMT
  161.  
  162. From galois!snorkelwacker.mit.edu!spool.mu.edu!uunet!mtnmath!paul Fri Sep 11 20:17:18 EDT 1992
  163. Article: 20187 of sci.physics
  164. Path: galois!snorkelwacker.mit.edu!spool.mu.edu!uunet!mtnmath!paul
  165. From: paul@mtnmath.UUCP (Paul Budnik)
  166. Newsgroups: sci.physics
  167. Subject: Re: Hidden variable theories, was: Uncertainty Princi
  168. Message-ID: <271@mtnmath.UUCP>
  169. Date: 11 Sep 92 14:16:36 GMT
  170. References: <1992Sep5.071519.16554@asl.dl.nec.com> <1992Sep11.015614.28674@galois.mit.edu>
  171. Organization: Mountain Math Software, P. O. Box 2124, Saratoga. CA 95070
  172. Lines: 49
  173.  
  174. Paul Budnik writes:
  175. >In article <1992Sep11.015614.28674@galois.mit.edu>, jbaez@riesz.mit.edu (John C. Baez) writes:
  176. >> In a down-to-earth vein, I would only say information was being
  177. >> transmitted by such a device if I could use it tell my grandma what I
  178. >> was having for dinner, or at least do so with some statistically
  179. >> significant chance (i.e., I'll accept a noisy channel as long as it's
  180. >> not 100% noise).  It would only be if someone did THIS with quantum
  181. >> trickery that I would get nervous.  But of course one can't.
  182.  
  183. >You are free to redefine information in any way you choose (at least
  184. >in a posting) but what you are defining here is normally regarded as
  185. >sending a signal. Information is often transferred in ways that no
  186. >human being can control.
  187.  
  188. Fine.  I have no attachment to terminology in this issue as long as we
  189. agree on what one can and can't do.  Typically, 99% of argument about
  190. measurement in QM concerns the right way to talk about what happens,
  191. rather than what actually happend, which is why I find it so boring.
  192. Your latest post confirms that we have no argument over facts, just
  193. massive disagreements about vocabulary, which reassures me that I can
  194. let the matter rest.
  195.  
  196. >> ... you
  197. >> are using the word "causality" in a certain way, which I think is the
  198. >>"wrong" way, but in any case, that there's another sensible usage of it
  199. >> such that causality is not violated.
  200.  
  201. >I would appreciate some references. In everything I have read in respected
  202. >journals there is no disagreement that either causality or Lorentz invariance
  203. >is violated. There is a lot of garbage written in popular accounts
  204. >of this subject.
  205.  
  206. See any book which explains the various axiomatic approaches to quantum
  207. field theory.  The best for this purpose is "An Introduction to Axiomatic
  208. Quantum Field Theory" by Bogoliubov, Todorov, and Shirkov (there's also
  209. a new book by roughly the same authors).  There are various axiom schemes,
  210. notably the Garding-Wightman axioms for quantum fields as operator-valued
  211. distributions on Minkowski space, the Haag-Kastler axioms for quantum fields in
  212. terms of local algebras of observables, and the Osterwalder-Schroeder
  213. axioms for Euclidean quantum field theory.  All these axioms schemes
  214. contain axioms for causality and Lorentz invariance.  The point is,
  215. what quantum field theorist mean by causality is quite different from
  216. what you seem to mean!  There's not really any contradiction.  There
  217. are, in fact, two distinct notions of causality in quantum field
  218. theory, "microscopic causality," which is called "Local commutativity" on
  219. p. 597 of the book cited above, and another sort of causality
  220. sometimes called the "diamond property," also discussed on the same
  221. page.  These notions are easiest to get ahold of in the Haag-Kastler
  222. axiom scheme.   The first says that the operator algebras living on
  223. spacelike separated open sets commute.  The second says that if one
  224. open set is in the causal shadow of another (see my recent post for a
  225. definition of that term), its operator algebra is contained in the
  226. operator algebra of the other.   Roughly speaking, the latter says
  227. that information, or signals, or whatever you want to call 'em, can't
  228. propagate faster than the speed of light.  More precisely, the state in a
  229. given open set is completely determined by the state in open set of which it's
  230. in the causal shadow.  Here I'm using the word "state" in the usual
  231. sense of (mathematical) quantum theory: a positive linear functional on a
  232. C*-algebra.
  233.  
  234. If you can't get the above book, which is really very nice, I
  235. recommend the original article
  236.  
  237. Haag and Kastler
  238. An Algebraic Approach to Quantum Field Theory
  239. Journal of Math. Phys.
  240. 5 (1964) p. 848.
  241.  
  242. Realize, however, that there is a vast literature on the subject since.
  243. There is a book called "An Introduction to Algebraic Quantum Field
  244. Theory" which treats some of the newer stuff - I forget the author -
  245. not to be confused with "An Introduction to Algebraic and Constructive
  246. Quantum Field Theory" by Segal, Zhou and myself; we have a discussion of
  247. causality but do not treat the Haag-Kastler axioms (or any others) as such.
  248.  
  249. >Regarding the rest of your message, there is no absolute contradiction
  250. >in quantum mechanic only some very unlikely predictions.
  251.  
  252. Unlikely, eh?  Care to state odds at which you'd bet some real money?
  253. I'm already looking forward to 50 bucks from Dave Ring when his
  254. "solid evidence for supersymmetry" fails to materialize.  (Say - I
  255. forget when the deadline on this bet was!  I don't want to let him
  256. weasel out via indefinite postponement!)  I look forward to the day
  257. when an improved Aspect-type experiment rules out a Lorentz-invariant
  258. wavefunction collapse theory by giving a real violation of Bell's
  259. inequalities - but I'd look forward to it even more if I knew I would
  260. make some money off it!
  261.  
  262.  
  263. Newsgroups: sci.physics
  264. Subject: Re: Question of Theory of Everything (or Grand Unified theory)
  265. From: jbaez@riesz.mit.edu (John C. Baez)
  266. Date: Mon, 7 Sep 92 04:04:45 GMT
  267. References: <1992Sep7.022904.15484@nntpd.lkg.dec.com>
  268.  
  269. Don't ever believe anyone who claims that there WILL BE a shocking
  270. scientific advance 10-20 years from now.  Scientific breakthroughs are
  271. by definition unexpected until they happen.  The fans of superstrings
  272. were very optimistic about 5 years ago and some of the more bold, or
  273. if I may say so, arrogant, claimed that shortly we would have a fully
  274. functioning "Theory of Everything".  The relative lack of hubbub about
  275. string theory in the popular press lately is an indication of what has
  276. happened in the meantime - lots of good mathematics but sort of a
  277. quagmire when it comes to working out the physics.  In particular,
  278. people had been excited for a while when it looked like there was an
  279. almost unique sensible string theory, but now this no longer seems
  280. true.
  281.  
  282. I have my own prejudices about what are the best directions to look
  283. for a theory of everything, and if you had been reading sci.physics
  284. for the last year you would have seen me go on and on about them.
  285. Briefly, I favor the Ashtekar/Rovelli/Smolin loop variables approach
  286. to quantum gravity, and its extensions to treat other forces.  Check
  287. out the "Science and the Citizen" column of the latest Scientific
  288. American (September 1992) for a nice introduction.  I am spending all
  289. my time working on this stuff myself, however, so I am hardly an
  290. unbiased party!  On good days I think, "Yeah, maybe in 10 or 20 years
  291. we'll work out a theory of all the forces!"  But that's just my
  292. natural optimism and good spirits.  We may never have a theory of
  293. everything - indeed even if we get one we will never know for sure
  294. that it is true - but all we can say for now is that physics is full, very
  295. full, of mysterious puzzles!
  296.  
  297.  
  298.  
  299. Newsgroups: sci.physics
  300. Subject: Re: What do we know or believe about generations?
  301. From: nextc.Princeton.EDU!mdd (Mark D. Doyle)
  302. Date: Fri, 11 Sep 1992 03:24:01 GMT
  303. References: <1992Sep11.020409.28542@nuscc.nus.sg>
  304.  
  305. In article <1992Sep11.020409.28542@nuscc.nus.sg> matmcinn@nuscc.nus.sg
  306. (Mcinnes B T (Dr)) writes:
  307. > One of the really pressing problems in physics is the generation
  308. > problem: why do we have three?
  309. > What solutions have been proposed for this one?
  310. > I know one: in string theory, the CAlabi-Yau people proposed that we
  311. > have more than one generation essentially because of the way that the
  312. > topology of the internal manifold affects the solutions of the Dirac
  313. > equation. The number of generations turns out to be related to the Euler
  314. > characteristic of the internal space. This extremely natural solution of
  315. > the problem seems to be dying out along with string theory itself.
  316.  
  317. I wouldn't say that string theory is dying out. (Of course, I may be a
  318. bit biased since my thesis defense is tomorrow morning in string theory.)
  319. It has just become clear that there is a lot of things in string theory
  320. that need to be understood better. One big problem is to understand the
  321. nonperturbative definition of the theory so that one can address questions
  322. such as supersymmetry breaking, number of generations, the low energy
  323. spectrum (what we currently call high energy physics), etc. This has
  324. always been known to be a tough problem. Some progress has been made in
  325. the last few years with the introduction of matrix models and topological
  326. theories. The current trend is to set aside the harder problems of working
  327. with something like the heterotic string in ten dimensions and work with
  328. low dimensional string theories (D < or = 1) that are exactly solvable.
  329. The hope is to glean insight that can be applied to the more physically
  330. relevant case. The last few years have seen an explosion of interest in
  331. this approach and it has been quite fruitful. The most remarkable thing is
  332. the breadth of different areas of mathematics that come up in these
  333. pursuits. There is still a large contigent of people who are actively
  334. seeking ways to get down from string theory to more accessible (low)
  335. energies. What is clear is that it seems that it is no longer true that
  336. there are only a handful of consistent string theories. And there has
  337. always been a plethora of vacuum solutions (i.e. all those Calabi-Yau
  338. manifolds). The hope is now that a nonperturbative formulation of the
  339. theory will narrow down the choices. String theory is still the current
  340. favorite (certainly in these parts) for unifying gravity with the other
  341. forces. Anyway, I need to finish some transparancies, but I just want to
  342. reiterate that string theory is not dead; the emphasis has merely shifted
  343. in our approach to it and phenomenological questions have fallen into the
  344. background somewhat pending new insights and data. Hopefully a nice boost
  345. will come from the discovery of supersymmetry at the SSC. (Let's not start
  346. that thread again :^).) The other problem is more practical. Jobs in
  347. string theory are becoming very limited and the amount of activity will
  348. probably decrease as people switch over to other areas of physics. This is
  349. not to say that strings are not worth pursuing.
  350.  
  351. Mark Doyle, 11 hours to go...
  352. mdd@puhep1.princeton.edu
  353.  
  354. Newsgroups: sci.physics
  355. Subject: Re: What do we know about choice of groups?
  356. From: matt@physics.berkeley.edu (Matt Austern)
  357. Date: 10 Sep 92 23:13:27
  358.  
  359. In article <1992Sep11.021551.1744@nuscc.nus.sg> matmcinn@nuscc.nus.sg (Mcinnes B T (Dr)) writes:
  360.  
  361. > Suppose that the standard theory is right, and that the gauge group of
  362. > the world is "SU3xSU2xU1"  [actually S[ U2xU3 ] of course]. Then we will
  363. > have to understand why this particular group was chosen from infinitely
  364. > many others. The same problem arises, albeit less urgently, if GUTs are
  365. > correct: why SO[10]  [actually Spin[10] of course]  rather than SO[110]
  366. > ?
  367. > What ideas have been proposed to solve this problem?
  368.  
  369. Well, one constraint that most theorists believe in is that a gauge
  370. theory has to be anomaly-free.  I really don't feel like explaining
  371. what that means just now; for the moment, let's just say that it is a
  372. technical property which is necessary for the theory to be
  373. renormalizable.  This excludes most possible gauge groups---still
  374. leaving an infinite number, but a much smaller infinity than without
  375. that constraint.
  376.  
  377. We can hope that by imposing other physical principles, we might be
  378. left with fewer possibilites---ideally, only one.  String theorists
  379. have some optimism along those lines.
  380.  
  381.  
  382. --
  383. Matthew Austern           Just keep yelling until you attract a
  384. (510) 644-2618            crowd, then a constituency, a movement, a
  385. austern@lbl.bitnet        faction, an army!  If you don't have any
  386. matt@physics.berkeley.edu     solutions, become a part of the problem!
  387.  
  388. Newsgroups: sci.math
  389. Subject: Categories (was: Re: Almost a group, or what?)
  390. From: jbaez@banach.mit.edu (John C. Baez)
  391. Date: 7 Aug 92 15:55:51 GMT
  392. References: <18240@nntp_server.ems.cdc.com> <1992Aug6.224328.14971@pasteur.Ber
  393. Keywords: Algebra, groups
  394.  
  395. In article <1992Aug6.224328.14971@pasteur.Berkeley.EDU> luzeaux@bellini.berkel
  396.  
  397. >As for R non associative and R commutative, it is a commutative magma
  398. >(cf Bourbaki),
  399. >which does not seem so interesting.
  400.  
  401. It is interesting however to note why associativity without
  402. commutativity is studied so much more than commutativity without
  403. associativity.  Basically, because most of our examples of binary
  404. operations can be interpreted as composition of functions.  For example,
  405. if write simply x for the operation of adding x to a real number (where
  406. x is a real number), then x + y is just x composed with y.  Composition
  407. is always associative so the + operation is associative!
  408.  
  409. Let me point out that one of the most interesting generalizations of a
  410. group is a category.  In what follows I'll give a skimpy introduction to
  411. category theory and hint at its applications to physics, though I want
  412. to say more about that later.
  413.  
  414. -- All you ever needed to know about category theory in 2 pages. -----
  415.  
  416. Categories are some of the most basic structures in mathematics.  They
  417. were created by Saunders MacLane, I believe.  (A lot of other people
  418. were involved, but I know MacLane said: "I did not invent category
  419. theory to talk about functors.  I invented it to talk about natural
  420. transformations."  Huh?  Wait and see.)
  421.  
  422. What is a category?  Well, a category consists of a set of OBJECTS and
  423. a set of MORPHISMS.  Every morphism has a SOURCE object and a TARGET
  424. object.  (The example to think of is the category in which the objects
  425. are sets and the morphisms are functions.  If f:X -> Y, we call X the
  426. source and Y the target.)  Given objects X and Y, we write Hom(X,Y)
  427. for the set of morphisms from X to Y (i.e., having X as source and Y
  428. as target).
  429.  
  430. The axioms for a category are that it consist of a set of objects and
  431. for any 2 objects X and Y a set Hom(X,Y) of morphisms from X to Y, and
  432.  
  433. 1)  Given a morphism g in Hom(X,Y) and a morphism f in Hom(Y,Z), there
  434. is morphism which we call fog in Hom(X,Z).  (This binary operation o is
  435. called COMPOSITION.)
  436.  
  437. 2)  Composition is associative:  (fog)oh = fo(goh).
  438.  
  439. 3)  For each object X there is a morphism id|X from X to X, called the
  440. IDENTITY ON X.
  441.  
  442. 4)  Given any f in Hom(X,Y), foid|X = f and id|Yof = f.
  443.  
  444. The classic example is Set, the category with sets as objects and
  445. functions as morphisms, and the usual composition as composition!
  446. Or else
  447.  
  448. Vect --- vector spaces as objects, linear maps as morphisms
  449. Group ---- groups as objects, homomorphisms as morphisms
  450. Top ---  topological spaces as objects, continuous functions as morphisms
  451. Diff --- smooth manifolds as objects, smooth maps as morphisms
  452. Ring --- rings as objects, ring homomorphisms as morphisms
  453.  
  454. Note that in all these cases the morphisms are actually a special sort
  455. of function.  That need not be the case in general!  For example, an
  456. ordered set is a category with its elements as objects and one
  457. morphism in each Hom(X,Y) if X is less than or equal to Y, but none
  458. otherwise.  Weird, huh?
  459.  
  460. The golden rule of modern mathematics is that life takes place within
  461. -- and between -- categories.  Many nice things in mathematics are
  462. functors.  A functor is a kind of map between categories.  A FUNCTOR F
  463. from a category C to a category D is a map from the set of objects of
  464. C to the set of objects of D together with a map from the set Hom(X,Y)
  465. for any objects X,Y of C to Hom(F(X),F(Y)).  That is, objects go to
  466. objects and morphisms go to morphisms.
  467.  
  468. Category theory is popular among algebraic topologists.  Typically an
  469. algebraic topologist will try to assign algebraic invariants to
  470. topological structures.  The golden rule of such invariants is that
  471. they should be FUNCTORIAL.  That is, they should be functors!  For
  472. example, the fundamental group is functorial.  Topologists know how to
  473. cook up a group called the fundamental group from any space.  (The
  474. group keeps track of how many holes the space has.)  But ALSO, any map
  475. between spaces determines a homomorphism of the fundamental groups.
  476. So the fundamental group is really a functor from the category Top to
  477. the category Group.
  478.  
  479. This allows us to completely transpose any situation involving spaces
  480. and continuous maps between them to a parallel situation involving
  481. groups and homomorphisms, and thus reduce some topology problems to
  482. algebra problems!
  483.  
  484. There is a famous saying about quantization among mathematical
  485. physicists: "First quantization is a mystery, but second quantization
  486. is a functor!"  No one is a true mathematical physicist unless they
  487. can explain that remark.  In second quantization we attach to each
  488. Hilbert space H its Fock space K (another Hilbert space), and to each
  489. unitary map between Hilbert spaces a unitary map between their Fock
  490. spaces.  (Fock spaces come in two flavors: bosonic and fermionic.)
  491.  
  492. Now, there are NATURAL TRANSFORMATIONS between functors.
  493. Suppose we have two functors F and G from the category C to the category
  494. D.  A natural transformation n from F to G consists of: 1) for each
  495. object X in C, a morphism n(X) from F(X) to G(X), such that 2) the
  496. following diagram commutes:
  497.  
  498.              F(X) -F(f)-> F(Y)
  499.               |       |
  500.               n(X)|       |n(Y)
  501.               v       v
  502.              G(X) -G(f)-> G(Y)
  503.  
  504. An example would be "abelianization", which maps a group H to the
  505. abelian group H/[H,H].  If F were the fundamental group and G were the
  506. first homology group, we could say that abelianization is a natural
  507. transformation from F to G.
  508.  
  509. An interesting object in physics is Minkowski space.  We can imagine a
  510. category Mink which has only one object - Minkowski space!  And whose
  511. morphisms are the Poincare transformations (i.e., rotations,
  512. translations, Lorentz transformations, and composites thereof)!  This
  513. shows that categories are a generalization of group representations,
  514. by the way.  Then one can imagine a natural transformation from
  515. Minkowski space to the category Spin with one object, the space of
  516. spinors (fancy for 4-tuples of complex numbers), and morphisms given
  517. by the representation of the Poincare group on this space.  Then what
  518. expresses the principle of relativity most precisely is that the value
  519. of any observable, e.g. a spinor, must define a FUNCTOR from Mink to
  520. the relevant category, in this case Spin.   (We can also express the
  521. principal of general covariance and the principal of gauge-invariance
  522. most precisely by saying that observables are functorial.)
  523.  
  524. So physicists should regard functoriality as mathematical for "able to
  525. be defined without reference to a particular choice of coordinate system."
  526.  
  527. Now what is the category of all categories?  As I said, it's a 2-category.
  528. What's a 2-category?  And what do they have to do with quantum gravity?
  529. Stay tuned....
  530.  
  531. Newsgroups: sci.math
  532. Subject: Categories and Quantization
  533. From: jbaez@nevanlinna.mit.edu (John C. Baez)
  534. Date: 7 Aug 92 19:41:58 GMT
  535. References: <1992Aug7.155551.20912@galois.mit.edu> <BsMHq1.JpH@cs.psu.edu>
  536.  
  537. Two more micro-essays on physics and category theory.  First, an
  538. advertisement for the notion that group representations are really only
  539. a special case of category representations.  This idea was sold to me by
  540. Minhyong Kim.  He said: "Eventually people will see that group
  541. representation theory is not such a big deal; what really matters is
  542. representations of categories."  At first I thought he was trying to
  543. sound slick (he always goes for the most abstract and elegant
  544. viewpoint).  But then I wound up needing category representations in my
  545. own work on quantum gravity.
  546.  
  547. Second, an explanation of the claim that "first quantization is a
  548. mystery, but second quantization is a functor."
  549.  
  550. -----
  551. In article <BsMHq1.JpH@cs.psu.edu> sibley@math.psu.edu writes:
  552. >
  553. >Speaking of groups and categories, I have always liked the category
  554. >version of the definition of a group:
  555. >
  556. >  A group is a category with one object in which all the morphisms
  557. >  are isomorphisms.
  558.  
  559. This is very important because it leads one to see that more general
  560. than a representation of a group is a representation of a CATEGORY.  A
  561. representation of a group, if we think of a group as a category as
  562. Sibley suggests, is just a functor from that category to the category
  563. Vect of vector spaces.  So we can define a representation of a category
  564. to be a functor from the category to the category of vector spaces.
  565.  
  566. An example of an interesting category with interesting representations
  567. is the category of TANGLES.  Tangles are like braids but the strands can
  568. double back on themselves and there can also be closed loops.
  569. The objects in the category Tang are {0,1,2,...} and the morphisms in
  570. Hom(m,n) are (isotopy classes of) tangles with m strands going in and n
  571. strands coming out.  A picture is worth a thousand words here.  Here is
  572. an element of Hom(2,4):
  573.  
  574.     |   |
  575.     \   /
  576.      \ /
  577.       \     /\
  578.      / \   /  \
  579.     |   \ /    \
  580.     |    \      |
  581.     |   / \     |
  582.  
  583. 2 in, 4 out!   Here is an element of Hom(4,0):
  584.  
  585.     |  |   |    |
  586.     \  /   \ /\ /
  587.      \/     \  \
  588.            / \/ \
  589.            \____/
  590.  
  591. 4 in, none out!  We can compose these morphisms to get a morphism in
  592. Hom(2,0):
  593.  
  594.     |   |
  595.     \   /
  596.      \ /
  597.       \     /\
  598.      / \   /  \
  599.     |   \ /    \
  600.     |    \      |
  601.     |   / \     |
  602.     |  |   |    |
  603.     \  /   \ /\ /
  604.      \/     \  \
  605.            / \/ \
  606.            \____/
  607.  
  608.  
  609. To be precise, a tangle is a 1-manifold X with boundary embedded in
  610. [0,1] x R^2, such that boundary of X is mapped to the boundary of [0,1]
  611. x R^2 and such that X intersects the boundary of [0,1] x R^2
  612. transversally.  We also assume that the points in the boundary of X get
  613. mapped to certain "standard" points (0,x_i) and (1,x_i) in the boundary
  614. of [0,1] x R^2, so we can compose tangles by gluing them together as in
  615. the picture above.  There is thus a category whose objects are
  616. {0,1,2,....} and whose morphisms Hom(m,n) are isotopy classes of tangles
  617. with m boundary points in {0}xR^2 and n boundary points in {1}xR^2.
  618.  
  619. Now it turns out that quantum gravity involves finding representations
  620. of the category of tangles!  And it turns out that there is a way to get
  621. a representation of the category of tangles from any finite-dimensional
  622. representation of a semisimple Lie group.  This construction is due to
  623. Reshetikhin and Turaev and involves quantum groups.  Try:
  624.  
  625. Turaev V G 1988 The Yang-Baxter equation and
  626. invariants of links {\sl Invent.\ Math.\ }{\bf 92} 527
  627.  
  628. Reshetikhin N,  Turaev V 1990 Ribbon
  629. graphs and their invariants derived from quantum groups
  630. {\sl Comm.\ Math.\ Phys.\ }{\bf 127}  1
  631.  
  632. Turaev V G 1990 Operator invariants of tangles, and
  633. R-matrices {\sl Math.\ USSR Izvestia} {\bf 35} 411
  634.  
  635. Reshetikhin N,  Turaev V 1991 Invariants of
  636. 3-manifolds via link-polynomials and quantum groups {\sl Invent.\
  637. Math.\} {\bf 103}  547
  638.  
  639. For the quantum gravity application see my paper, and also
  640.  
  641. Br\"ugmann B, Gambini R, Pullin J 1992 Jones
  642. polynomials for intersecting knots as physical states for quantum
  643. gravity {\sl University of Utah preprint}
  644.  
  645. Crane L 1991 2-d physics and 3-d topology {\sl Comm.\Math.\ Phys.\ }{\bf
  646. 135}  615
  647.  
  648. -----
  649. Someone asked me to explain first and second quantization.  In ten words
  650. or less.  :-)  First quantization is a mystery.  It is the attempt to
  651. get from a classical description of a physical system to a quantum
  652. description of the "same" system.  Now it doesn't seem to be true that
  653. God created a classical universe on the first day and then quantized it
  654. on the second day.  So it's unnatural to try to get from classical to
  655. quantum mechanics.  Nonetheless we are inclined to do so since we
  656. understand classical mechanics better.   So we'd like to find a way to
  657. start with a classical mechanics problem -- that is, a phase space and a
  658. Hamiltonian function on it -- and cook up a quantum mechanics problem --
  659. that is, a Hilbert space with a Hamiltonian operator on it.  It has
  660. become clear that there is no utterly general systematic procedure for
  661. doing so.
  662.  
  663. Mathematically, if quantization were "natural" it would be a FUNCTOR
  664. from the category whose objects are symplectic manifolds (= phase spaces) and
  665. whose morphisms are symplectic maps (= canonical transformations) to the
  666. category whose objects are Hilbert spaces and whose morphisms are
  667. unitary operators.  Alas, there is no such nice functor.  So
  668. quantization is always an ad hoc and problematic thing to attempt.  A
  669. lot is known about it, but more isn't.  That's why first quantization is
  670. a mystery.
  671.  
  672. (By the way, I have seen many "no-go" theorems concerning quantization
  673. but I have never seen one phrased quite like the above.  "There is no
  674. functor from the symplectic category to the Hilbert category such that
  675. ...... holds."  Is anyone up to the challenge??  If this hasn't been done
  676. yet it would clarify the situation.
  677.  
  678. Note that there IS a functor from the symplectic category to the
  679. Hilbert category, namely one assigns to each symplectic manifold X the
  680. Hilbert space L^2(X), where one takes L^2 w.r.t. the Liouville measure.
  681. Every symplectic map yields a unitary operator in an obvious way.
  682. This is called PREQUANTIZATION.  The problem with it physically is that
  683. a one-parameter group of symplectic transformations generated by a
  684. positive Hamiltonian is not mapped to a one-parameter group of unitaries
  685. with a POSITIVE generator.  So my conjecture is that there is no
  686. "positivity-preserving" functor from the symplectic category to the
  687. Hilbert category.)
  688.  
  689. Second quantization is the attempt to get from a quantum description of
  690. a single-particle system to a quantum description of a many-particle
  691. system.  (There are other ways to think of it, but let's do it this
  692. way.)  Starting from a Hilbert space H for the single particle system,
  693. one forms the symmetric (or antisymmetric) tensor algebra over H and
  694. completes it to form a Hilbert space K, called the bosonic (or
  695. fermionic) FOCK SPACE over H.  Any unitary operator on H gives a unitary
  696. operator on K in an obvious way.  More generally, one has a functor
  697. called "second quantization" from the Hilbert category to itself, which
  698. sends each Hilbert space to its Fock space, and each unitary map to an
  699. obvious unitary map.  This functor *is* positivity-preserving.  (All the
  700. weird problems with negative-energy states of the electron, Dirac's
  701. "holes in the electron sea," and such, are due to thinking about things
  702. the wrong way.)
  703.  
  704. Newsgroups: sci.physics,sci.math
  705. Subject: Tangles
  706. From: jbaez@riesz.mit.edu (John C. Baez)
  707. Date: Thu, 8 Oct 92 03:46:04 GMT
  708.  
  709. Before I finally get around to revealing what a 2-category is and what
  710. they might have to do with quantum gravity, I thought I should talk a
  711. bit about the category of tangles, because it is so utterly beautiful.
  712.  
  713. I'm not going to be very formal, so anyone who wants the rigorous
  714. details should take a look at
  715.  
  716. Yetter D N 1988 Markov algebras, in Braids, Contemp. Math. 78, 705.
  717.  
  718. Turaev V G 1990 Operator invariants of tangles, and
  719. R-matrices, Math.\ USSR Izvestia 35 411.
  720.  
  721. I will just say that a tangle is a bunch of strands connecting
  722. n points on the ceiling to m points on the floor, possibly with a bunch
  723. of knots thrown in the middle:
  724.  
  725.  
  726.  
  727.      |   |
  728.     \   /
  729.      \ /
  730.       \     /\
  731.      / \   /  \
  732.     /   \ /    \
  733.        /     \      \
  734.       /     / \      |
  735.       \    /   \     |
  736.        |  /     \ /\ /
  737.       /   \      \  \
  738.      /     |    / \/ \
  739.     /      |    \____/
  740.    |       |
  741.    |       |
  742.  
  743. For us two tangles will be the same (technically, "isotopic") if one
  744. can be deformed into the other; i.e., we think of the strands as being
  745. infinitely flexible and are allowed to wiggle them around but not move
  746. them over the ceiling or under the floor; we aren't allowed to move
  747. the places where the strands touch the ceiling and floor, though.
  748.  
  749. Note that knots, links and braids are all special cases of tangles.
  750. Tangles are great because the provide a nice algebraic structure to
  751. study all of these things.
  752.  
  753. We say the above tangle is in Hom(2,2) because there are 2 points on the
  754. ceiling and 2 on the floor.  Here is an element of Hom(2,4):
  755.  
  756.      |   |
  757.     \   /
  758.      \ /
  759.       \     /\
  760.      / \   /  \
  761.     |   \ /    \
  762.     |    \      |
  763.     |   / \     |
  764.  
  765. and here is an element of Hom(4,0):
  766.  
  767.     |  |   |    |
  768.     \  /   \ /\ /
  769.      \/     \  \
  770.            / \/ \
  771.            \____/
  772.  
  773. Note that we can "compose" these tangles to get one in Hom(2,0):
  774.  
  775.      |   |
  776.     \   /
  777.      \ /
  778.       \     /\
  779.      / \   /  \
  780.     |   \ /    \
  781.     |    \      |
  782.     |   / \     |
  783.     |  |   |    |
  784.     \  /   \ /\ /
  785.      \/     \  \
  786.            / \/ \
  787.            \____/
  788.  
  789. In Hom(n,n) there is an "identity" tangle which is just a bunch of
  790. vertical strands:
  791.  
  792.       |   |   |
  793.       |   |   |
  794.       |   |   |
  795.       |   |   |
  796.       |   |   |
  797.       |   |   |
  798.  
  799. and if you compose any tangle x with the identity on the right or left you
  800. get x again.  This, together with the associativity of composition, is
  801. all we mean by saying that tangles form a category.
  802.  
  803. But we can also take the tensor product of two tangles.  The tensor
  804. product of
  805.  
  806.      |   |
  807.     \   /
  808.      \ /
  809.       \     /\
  810.      / \   /  \
  811.     |   \ /    \
  812.     |    \      |
  813.     |   / \     |
  814.  
  815. and
  816.  
  817.     |  |   |    |
  818.     \  /   \ /\ /
  819.      \/     \  \
  820.            / \/ \
  821.            \____/
  822.  
  823. is
  824.  
  825.      |   |           |  |   |    |
  826.     \   /           \  /   \ /\ /
  827.      \ /             \/     \  \
  828.       \     /\             / \/ \
  829.      / \   /  \            \____/
  830.     |   \ /    \
  831.     |    \      |
  832.     |   / \     |
  833.  
  834. MP: all this is reminiscent of Penrose's spin-networks, at least
  835. the diagrammatic representations of algebraic compositions, to me
  836.  
  837. Notice that the tensor product is associative and that composition
  838. and tensor product satisfy certain obvious identities (just like the
  839. identities that hold for tensor product and composition of linear maps
  840. between vector spaces).
  841.  
  842. By now the physicists must be wondering how mathematicians get paid to
  843. play around with this sort of thing.  I will try to head off such rude
  844. remarks by noting that another name for tangles would be "Feynman
  845. diagrams".  Of course Feynman diagrams are *labeled* tangles - the strands
  846. carry spin, momentum, and other quantum numbers.  Also Feynman diagrams
  847. have vertices, which tangles don't.  Also Feynman diagrams don't really
  848. live in 3-dimensional space.  Nonetheless, there is a real relationship.
  849. For starters, if we were going to talk about labeled tangles with
  850. vertices we would be working with a generalization that has been studied
  851. by Reshetikhin and Turaev in their paper:
  852.  
  853. Reshetikhin N,  Turaev V 1990 Ribbon
  854. graphs and their invariants derived from quantum groups,
  855. Comm. Math. Phys. 127, 1.
  856.  
  857. Their strands are labeled by representations of quantum groups and they
  858. get nice topological invariants this way.
  859.  
  860. Anyway, here's the question of the day: how do we describe the category
  861. of tangles.  Well, Turaev and Yetter both showed that it can be
  862. described by generators and relations almost like a group can.  The
  863. generators are as follows.  First, the identity 1 in Hom(1,1):
  864.  
  865.    |
  866.    |
  867.    |
  868.    |
  869.    |
  870.  
  871. Second, the basic "right-handed crossing" r in Hom(2,2):
  872.  
  873.  \   /
  874.   \ /
  875.    /
  876.   / \
  877.  /   \
  878.  
  879. and the left-handed crossing r^{-1} in Hom(2,2):
  880.  
  881.  \   /
  882.   \ /
  883.    \
  884.   / \
  885.  /   \
  886.  
  887. (Note that rr^{-1} and r^{-1}r are both the identity in Hom(2,2), so
  888. the names are appropriate.)
  889.  
  890. Third, the "cup" in Hom(2,0):
  891.  
  892.  \      /
  893.   \    /
  894.    \  /
  895.     \/
  896.  
  897. and the "cap" in Hom(0,2):
  898.  
  899.     /\
  900.    /  \
  901.   /    \
  902.  /      \
  903.  
  904. These are really primordial things!  In what sense do they "generate"
  905. the category of tangles.  Well, any tangle can be formed from these guys
  906. by taking tensor products and composites.  For example, this guy
  907.  
  908.      |   |
  909.     \   /
  910.      \ /
  911.       \     /\
  912.      / \   /  \
  913.     |   \ /    \
  914.     |    /      |
  915.     |   / \     |
  916.  
  917. can be written as
  918.  
  919.      (1 x r x 1)(r^{-1} x cap)
  920.  
  921. where I'm using x for tensor product and juxtaposition for composition.
  922.  
  923. Okay, so those are the generators (if you don't believe me, prove it!).
  924. What are the relations?  This is the cool part.  Of course, there are a
  925. bunch of relations which just come from the properties of the tensor
  926. product and composition.  Tensor product and composition satisfy these
  927. relations in any "monoidal category", but what we want are the relations
  928. special to the category of tangles.  They were figured out by Turaev and
  929. Yetter, who actually came up with slightly different, but equivalent,
  930. sets of relations.  As I like them, they are as follows... I'll draw
  931. them rather than write them as formulae:
  932.  
  933.  
  934.  \   /       \   /       |    |
  935.   \ /     \ /    |    |
  936.    /       \     |    |
  937.   / \     / \    |    |
  938.  /   \    =  /   \    =  |    |
  939.  \   /       \   /       |    |
  940.   \ /     \ /    |    |
  941.    \       /     |    |
  942.   / \     / \    |    |
  943.  /   \       /   \       |    |
  944.  
  945. (which just says that r^{-1} really lives up to its name, and is also
  946. known as the 2nd Reidemeister move)
  947.  
  948.  
  949. \   /    |    |     \ /
  950.  \ /     |    |      \
  951.   \      |    |     / \
  952.  / \     |    |    /   \
  953. /   \    /    \   /    |
  954. |     \ /      \ /     |
  955. |      \     =      \      |
  956. |     / \      \     |
  957. |    /     \     /  \   /
  958. \   /    |    |    \ /
  959.  \ /     |    |     \
  960.   \      |      |    / \
  961.  / \     |    |   /   \
  962. /   \    |    |  /     \
  963.  
  964. (which is the 3rd Reidemeister move, also known as the Yang-Baxter
  965. equation)
  966.  
  967. |       /\       /\       |       |
  968. |      /  \     /  \      |       |
  969. |     /    \       /    \     |       |
  970. \    /      |  =  |      \    /  =    |
  971.  \  /       |     |       \  /    |
  972.   \/    |     |    \/     |
  973.  
  974.  
  975.    |       |     /\      |     /\
  976.    |       |    /  \     |    /  \
  977.    |       \   /    \    \   /    \
  978.    |        \ /     |     \ /     |
  979.    |    =    \      |    =     /      |
  980.    |        / \     |     / \     |
  981.    |       /   \    /    /   \    /
  982.    |       |    \  /     |    \  /
  983.    |       |     \/      |     \/
  984.    |       |         |
  985.  
  986. (which is called the 1st Reidemeister move)
  987.  
  988. and then 4 closely related identities:
  989.  
  990. |     \   /      \   /     |
  991. |      \ /    \ /      |
  992. |       \      /       |
  993. |      / \    / \      |
  994. |     /   \  =   /   \     |
  995. \    /    |     |     \    /
  996.  \  /     |     |      \  /
  997.   \/      |     |       \/
  998.  
  999.  
  1000. |     \   /      \   /     |
  1001. |      \ /    \ /      |
  1002. |       /      \       |
  1003. |      / \    / \      |
  1004. |     /   \  =   /   \     |
  1005. \    /    |     |     \    /
  1006.  \  /     |     |      \  /
  1007.   \/      |     |       \/
  1008.  
  1009.  
  1010.   /\      |     |      /\
  1011.  /  \     |     |     /  \
  1012. /    \    |     |    /    \
  1013. |     \   /     \   /     |
  1014. |      \ /       \ /      |
  1015. |       /    =    \       |
  1016. |      / \       / \      |
  1017. |     /   \     /   \     |
  1018.  
  1019.  
  1020.   /\      |     |      /\
  1021.  /  \     |     |     /  \
  1022. /    \    |     |    /    \
  1023. |     \   /     \   /     |
  1024. |      \ /       \ /      |
  1025. |       \    =    /       |
  1026. |      / \       / \      |
  1027. |     /   \     /   \     |
  1028.  
  1029.  
  1030. If you want to see these identities written algebraically, and you have
  1031. LaTeX, give this a try:
  1032.  
  1033. \def\tensor{\otimes}
  1034. \begin{array}  rr^{-1} &=& r^{-1}r \quad =\quad | \tensor | \nonumber\cr
  1035.   (| \tensor \cup)(\cap \tensor |) &=& (\cup \tensor |)(| \tensor
  1036. \cap) \quad =\quad |  \nonumber\cr
  1037.   (r \tensor |)(| \tensor r)(r\tensor |) &=& (| \tensor r)(r \tensor
  1038. |)(1 \tensor r) \nonumber\cr
  1039. (| \tensor \cup)(r \tensor |) &=& (\cup \tensor |)(| \tensor r^{-1})
  1040. \nonumber\cr
  1041. (| \tensor \cup)(r^{-1} \tensor |) &=& (\cup \tensor |)(| \tensor r)
  1042. \nonumber\cr
  1043. (r \tensor |)(| \tensor \cap) &=& (| \tensor r^{-1})(\cap \tensor |)
  1044. \nonumber\cr
  1045. (r^{-1} \tensor |)(| \tensor \cap) &=& (| \tensor r)(\cap \tensor |)
  1046. \nonumber\cr
  1047. (| \tensor \cup)(r \tensor |)(| \tensor \cap) &=& (| \tensor \cup)
  1048. (r^{-1} \tensor |)(| \tensor \cap = | \tensor |.\nonumber\end{array}
  1049.  
  1050. To see the power of these identities (together with the rules satisfied
  1051. by tensor product and composition), use them to deduce:
  1052.  
  1053.        |     /\        /\     |
  1054.        |    /  \      /  \    |
  1055.        \   /    \    /    \   /
  1056.         \ /     |       |      \ /
  1057.          \      |    =  |       \
  1058.         / \     |       |      / \
  1059.        /   \    /    \    /   \
  1060.        |    \  /      \  /    |
  1061.        |     \/        \/     |
  1062.        |              |
  1063.  
  1064. There are endless fun and games to be had with these rules, which
  1065. encode a lot of the topology of 3-dimensional space.  Try Kauffman's
  1066. book "Knots and Physics" for some of this fun.  It may be surprising,
  1067. but it shouldn't be, that the category of tangles and its
  1068. representations constitutes a big hunk of conformal field theory (hence
  1069. string theory).  It also is practically the SAME THING as Chern-Simons
  1070. field theory (a 3-dimensional topological quantum field theory) and, I
  1071. attempt to show in my paper "Quantum Gravity and the Algebra of
  1072. Tangles," they have a lot to do with 4-dimensional quantum gravity.
  1073.  
  1074.