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/ NetNews Usenet Archive 1992 #20 / NN_1992_20.iso / spool / sci / physics / 14215 < prev    next >
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Text File  |  1992-09-08  |  3.8 KB  |  97 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!snorkelwacker.mit.edu!galois!riesz!jbaez
  3. From: jbaez@riesz.mit.edu (John C. Baez)
  4. Subject: Re: Did electric/magnetic symmetry "break"?
  5. Message-ID: <1992Sep6.192239.16603@galois.mit.edu>
  6. Sender: news@galois.mit.edu
  7. Nntp-Posting-Host: riesz
  8. Organization: MIT Department of Mathematics, Cambridge, MA
  9. References: <1992Sep5.073528.16705@asl.dl.nec.com> <16801@ucdavis.ucdavis.edu> <5SEP199219330991@zeus.tamu.edu>
  10. Date: Sun, 6 Sep 92 19:22:39 GMT
  11. Lines: 84
  12.  
  13. In article <5SEP199219330991@zeus.tamu.edu> dwr2560@zeus.tamu.edu (RING, DAVID WAYNE) writes:
  14. >carlip@landau.ucdavis.edu (Steve Carlip) writes...
  15. >>The electromagenetic symmetry you are asking about is called duality.  
  16. >>In the absence of charged matter, you can freely rotate the electric and
  17. >>magnetic fields into each other.  Charged sources provide an _explicit_
  18. >>symmetry-breaking, by uniquely picking out one "direction" to couple
  19. >>to.  This isn't the kind of broken symmetry you're asking about, I
  20. >>think; for instance, there's no phase transition between a symmetric
  21. >>and a nonsymmetric ground state. 
  22. >
  23. >'rotate' and 'direction' suggest a continuous symmetry. But taking the dual
  24. >is discrete. Is that right?
  25. >
  26. >Dave Ring
  27. >dwr2560@zeus.tamu.edu
  28. >
  29.  
  30. I just gave a bit of the spiel about duality last time.  The 
  31. discrete symmetry
  32.  
  33. F -> *F
  34.  
  35. can be embedded in a continuous symmetry group - just the circle
  36. group, U(1) - as follows:
  37.  
  38. F -> (cos t)F + (sin t)*F
  39.  
  40. Here t is any old real number and has nothing to do with time.  (The
  41. problem with talking to physicists is that to them letters all have
  42. pre-assigned meanings!)   In fact this stuff is old hat; it is what
  43. you're doing when you make up a complex electromagnetic field E + iB
  44. and then multiply it by a phase exp(it)!  (Remember your old electromagnetism
  45. course?)  The reason for dressing it up in fancy new language by using
  46. the electromagnetic field strength two-form F and the Hodge star
  47. operator * is just to prove that I'm a mathematician.  :-)  No, seriously,
  48. the point is to show that duality symmetry doesn't depend on a choice
  49. of coordinate system, and in fact works on any curved four-dimensional spacetime. 
  50. I.e., it's not just a hack.
  51.  
  52. So one can make up a *complex* two-form, let's call it G, by setting
  53.  
  54. G = F + i*F
  55.  
  56. so that the vacuum Maxwell's equations just become
  57.  
  58. dG = 0
  59.  
  60. and duality symmetry as described above is encoded in the fact that
  61. this equation is invariant under 
  62.  
  63. G -> exp(it)G.
  64.  
  65. Now one can imagine introducing charges and currents by setting
  66.  
  67. dG = *J
  68.  
  69. where 
  70.  
  71. K = J + iM
  72.  
  73. Here J is the electic charge/current one-form and M is the magnetic
  74. charge/current one-form (which seems to be zero in real life).  (Note
  75. that I said d*F = J in a previous post but I meant d*F = *J, up to a
  76. sign that I am too lazy to remember!)
  77.  
  78. What Steve was referring to was that the absence of magnetic monopoles
  79. just amounts to saying that K has no imaginary part.  However, due to
  80. duality symmetry this is sort of a matter of convention: if there were
  81. no electic monopoles and ONLY magnetic monopoles, the physics would be
  82. the same.  As long as the current K is of the form exp(it)J for some
  83. real one-form J, we can use duality symmetry to rotate things so that
  84. K is real!  I.e., we rotate the complex plane until a given line through
  85. the origin gets sent to the real axis.
  86.  
  87. Duality symmetry can be souped up.  The person who has played it most
  88. definitively seems to be Kostant, who taught a course on Maxwell's
  89. equations at MIT in which he used his considerable group-theoretic
  90. prowess to uncover a grand SO(3,3) symmetry lurking around somewhere,
  91. if I recall correctly.  More recently Guillemin and Sternberg wrote a
  92. fun book that covers some of this stuff, if I recall correctly.  I
  93. forget the title.
  94.  
  95. By the way, we just had an earthquake here at Riverside, but
  96. everything's still standing.  I am posting from MIT because the
  97.