2024-08-19

物理学形式化についての概要

都市伝説によれば、かつてアインシュタイン古典的重力理論一般相対性理論」を理解していたのは3人だけだったと言われている。

それが真実かどうかは別として、その3人のうちの1人がダフィッド・ヒルベルトである。彼は、今日の初学者でも一般相対性理論理解できるように、それを数学で明確かつ正確(すなわち厳密)に形式化した。

古典的アインシュタイン重力は、時空上の擬リーマン計量のモジュライ空間上のスカラー曲率密度汎関数積分臨界点の研究にすぎない。

物理学基本的理論数学での基本的な定式化を持つべきだと信じたことで、ヒルベルト本質的アインシュタインを先取りすることができた。そのため、この汎関数現在アインシュタインヒルベルト作用汎関数と呼ばれている。

ヒルベルトは、1900年の有名なヒルベルト問題の一環として、この一般的アイデアを以前から提唱していた。ここでヒルベルトの第6問題は、物理学理論公理を見つけることを数学者に求めている。

それ以来、そのような公理化のリストが見つかっている。例えば、

物理学数学
力学シンプレクティック幾何学
重力リーマン幾何学
ゲージ理論チェルン・ヴェイユ理論
量子力学作用代数
ポロジカル局所量子場理論モノイダル(∞,n)-カテゴリ理論

このリストには注目すべき2つの側面がある。一方で、数学の最高の成果が含まれており、他方で、項目が無関係で断片的に見えることだ。

学生時代ウィリアム・ローヴィアは「合理的熱力学」と呼ばれる熱力学公理化の提案に触れた。彼は、そのような連続物理学基本的な基盤は、まず微分幾何学自体の良い基盤を必要とすることに気づいた。彼の生涯の出版記録を見てみると、彼が次の壮大な計画を追求していたことがわかる。

ローヴィアは、最初の2つの項目(圏論論理、初等トポス理論代数理論SDG)への画期的な貢献で有名になった。なぜか、このすべての動機である3番目の項目は広く認識されていないが、ローヴィアはこの3番目の点を継続的に強調していた。

この計画は壮大だが、現代基準では各項目において不十分である

現代数学自然トポス理論/型理論ではなく、高次トポス理論/ホモトピー型理論に基づいている。

現代幾何学は「変数集合」(層)だけでなく、「変数ホモトピー型」、「幾何学ホモトピー型」、「高次スタック」に関する高次幾何学である

現代物理学古典的連続物理学を超えている。高エネルギー(小さな距離)では、古典物理学は量子物理学特に量子場理論によって精緻化される。

したがって、高次トポス理論で定式化された高次微分幾何学における高エネルギー物理学の基礎が必要である

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