이론물리학 에서 S-이중성 (S-二重性, S-duality )은 서로 다른 듯한 두 물리 이론이 결합 상수 의 역수 를 취하는 변환에 의하여 서로 동등한 현상이다. 즉, 결합 상수가 작은 한 이론은 결합 상수가 큰 다른 이론과 동등하게 된다. 양자장론 과 끈 이론 에서 나타난다.
양자장론에서는 여러 가지의 S-이중성을 찾을 수 있다. 이들은 대부분 일종의 초대칭 을 가정하며, 궁극적으로 초끈 이론 의 S-이중성에서 비롯된다.
S-이중성의 가장 기본적인 형태는 맥스웰 방정식 의 전기-자기 이중성 (電氣磁氣二重性, electric–magnetic duality )이다. 대전 입자를 포함하지 않는 맥스웰 방정식 은 전기장 과 자기장 을 치환하여도 동등하다. 여기에 전기적으로 대전된 입자만 추가하면 전기-자기 이중성이 깨지지만, 자기적으로 대전된 입자 도 추가하면 다시 전기-자기 이중성이 성립한다. 여기서 전기적으로만 대전된 입자는 전기 홀극, 자기적으로만 대전된 입자는 자기 홀극 , 전기와 자기 둘 다 대전된 입자를 다이온 이라고 한다.
부호수가
(
p
,
4
−
p
)
{\displaystyle (p,4-p)}
인 4차원 다양체
M
{\displaystyle M}
를 생각하자. 그 가운데 호몰로지
H
2
(
M
)
{\displaystyle H^{2}(M)}
에 다음과 같은 연산자
N
τ
:
H
2
(
M
;
C
)
→
H
2
(
M
;
C
)
{\displaystyle N_{\tau }\colon H^{2}(M;\mathbb {C} )\to H^{2}(M;\mathbb {C} )}
를 정의하자.
N
τ
=
Re
τ
+
s
∗
Im
τ
{\displaystyle N_{\tau }=\operatorname {Re} \tau +s*\operatorname {Im} \tau }
여기서
p
≡
0
(
mod
2
)
{\displaystyle p\equiv 0{\pmod {2}}}
인 경우
s
=
i
{\displaystyle s=i}
, 그렇지 않은 경우
s
=
1
{\displaystyle s=1}
로 놓는다.
이 경우,
(
s
∗
)
2
=
−
1
{\displaystyle (s*)^{2}=-1}
이므로,
N
τ
{\displaystyle N_{\tau }}
의 역은
(
N
τ
)
−
1
=
N
1
/
τ
{\displaystyle (N_{\tau })^{-1}=N_{1/\tau }}
이다. 즉, 이러한 꼴의 연산자는 단순히 복소수 로 생각할 수 있다.
U(1) 게이지 이론은 다음과 같이 기술할 수 있다. U(1) 접속의 곡률을
F
{\displaystyle F}
라고 하자. 이는 선다발의 천 특성류 와 같다.
c
1
=
[
F
/
2
π
]
∈
H
2
(
M
;
Z
)
{\displaystyle c_{1}=[F/2\pi ]\in H^{2}(M;\mathbb {Z} )}
게이지 이론의 작용 을 다음과 같이 적자.
S
τ
=
1
4
π
∫
M
F
∧
N
τ
F
{\displaystyle S_{\tau }={\frac {1}{4\pi }}\int _{M}F\wedge N_{\tau }F}
통상적으로, 그 성분들은
τ
=
θ
/
2
π
+
4
π
i
/
g
2
{\displaystyle \tau =\theta /2\pi +4\pi i/g^{2}}
으로 적는다. 여기서
g
{\displaystyle g}
는 결합 상수
θ
{\displaystyle \theta }
는 CP 위반 각
이다. 즉, 텐서 표기법으로 쓰면
S
=
∫
M
|
det
g
|
(
1
2
g
2
F
μ
ν
F
μ
ν
+
θ
32
π
2
ϵ
μ
ν
ρ
σ
F
μ
ν
F
ρ
σ
)
{\displaystyle S=\int _{M}{\sqrt {|\det g|}}\,\left({\frac {1}{2g^{2}}}F_{\mu \nu }F^{\mu \nu }+{\frac {\theta }{32\pi ^{2}}}\epsilon ^{\mu \nu \rho \sigma }F_{\mu \nu }F_{\rho \sigma }\right)}
이다. 이 작용은
F
↦
F
D
=
δ
S
δ
F
=
N
τ
F
{\displaystyle F\mapsto F_{D}={\frac {\delta S}{\delta F}}=N_{\tau }F}
τ
↦
−
1
/
τ
{\displaystyle \tau \mapsto -1/\tau }
에 대하여 불변이다. 이는 고전 전자기학의 전기-자기 이중성이다.
이 이론을 양자화하게 되면, 그 경로 적분 은
Z
=
∫
D
A
exp
(
i
S
)
{\displaystyle Z=\int DA\,\exp(iS)}
이다. 이 경우,
[
F
/
2
π
]
∈
H
2
(
M
;
Z
)
{\displaystyle [F/2\pi ]\in H^{2}(M;\mathbb {Z} )}
이므로,
S
τ
+
1
−
S
τ
=
(
θ
/
2
)
∫
M
(
F
/
2
π
)
∧
(
F
/
2
π
)
{\displaystyle S_{\tau +1}-S_{\tau }=(\theta /2)\int _{M}(F/2\pi )\wedge (F/2\pi )}
이다. 만약
M
{\displaystyle M}
이 스핀 다양체 라면, 2차 미분형식의 교차 형식 (intersection form)은 짝수이므로, 항상
∫
M
(
F
/
2
π
)
2
{\displaystyle \int _{M}(F/2\pi )^{2}}
는 짝수다. 따라서
S
τ
+
1
−
S
τ
∈
Z
{\displaystyle S_{\tau +1}-S_{\tau }\in \mathbb {Z} }
이고, 이 경우 경로 적분 에 등장하는
exp
(
i
S
)
{\displaystyle \exp(iS)}
는 불변이다. 즉, 양자역학적으로
τ
↦
τ
+
1
{\displaystyle \tau \mapsto \tau +1}
또한 대칭이다. 이들을 합성하면 모듈러 군
τ
↦
a
τ
+
b
c
τ
+
d
{\displaystyle \tau \mapsto {\frac {a\tau +b}{c\tau +d}}}
(
(
a
b
c
d
)
∈
PSL
(
2
;
Z
)
{\displaystyle {\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}}\in \operatorname {PSL} (2;\mathbb {Z} )}
을 이루게 된다. 유클리드 계량 부호수 의 경우, 이는 구체적으로 경로 적분 을 계산해 확인할 수 있다. 맥스웰 방정식 을 만족시키는 장세기
F
{\displaystyle F}
는
d
F
=
d
∗
F
=
0
{\displaystyle dF=d*F=0}
이므로 조화형식 (harmonic form)을 이루며, 이는 호지 이론 에 따라 코호몰로지류
H
2
(
M
;
R
)
{\displaystyle H^{2}(M;\mathbb {R} )}
에 대응한다. 유클리드 계량 부호수에서는 2차 형식에 대한 호지 쌍대 가
∗
2
=
1
{\displaystyle *^{2}=1}
이므로, 호지 쌍대의 고윳값 에 따라 임의의 장세기를
F
=
2
π
(
p
+
+
p
−
)
{\displaystyle F=2\pi (p_{+}+p_{-})}
∗
F
=
2
π
(
p
+
+
−
p
−
)
{\displaystyle *F=2\pi (p_{+}+-p_{-})}
p
±
∈
H
±
2
(
M
;
Z
)
{\displaystyle p_{\pm }\in H_{\pm }^{2}(M;\mathbb {Z} )}
로 분해할 수 있다. 그렇다면
N
τ
F
=
2
π
(
τ
p
+
+
τ
¯
p
−
)
{\displaystyle N_{\tau }F=2\pi (\tau p_{+}+{\bar {\tau }}p_{-})}
이다. 따라서 작용은
S
=
π
(
τ
⟨
p
+
,
p
+
⟩
−
τ
¯
⟨
p
−
,
p
−
⟩
)
{\displaystyle S=\pi \left(\tau \langle p_{+},p_{+}\rangle -{\bar {\tau }}\langle p_{-},p_{-}\rangle \right)}
가 된다. 따라서, 경로 적분은 다음과 같다.[ 1] [ 2] [ 3] :89–91
Z
(
τ
)
∼
∑
p
+
∈
H
+
2
(
M
;
Z
)
q
p
+
2
/
2
∑
p
−
∈
H
−
2
(
M
;
Z
)
q
¯
p
−
2
/
2
{\displaystyle Z(\tau )\sim \sum _{p_{+}\in H_{+}^{2}(M;\mathbb {Z} )}q^{p_{+}^{2}/2}\sum _{p_{-}\in H_{-}^{2}(M;\mathbb {Z} )}{\bar {q}}^{p_{-}^{2}/2}}
(
q
=
exp
(
2
π
i
τ
)
{\displaystyle q=\exp(2\pi i\tau )}
)
이는 서로 다른 선다발 들의 합만 고려한 것이다. 여기에 유한 에너지 모드들의 기여를 고려하면, 각 모드의 에너지는
Im
τ
=
1
/
g
2
{\displaystyle \operatorname {Im} \tau =1/g^{2}}
에 비례하며, 경로 적분에는 (에너지 연산자의 행렬식의 제곱근이므로) 각 모드가
Im
τ
{\displaystyle {\sqrt {\operatorname {Im} \tau }}}
를 기여한다. 이 인자는 경로 적분 의 측도 를 국소적으로 재정의해 없앨 수 있다. 그러나 게이지 고정을 할 경우 상수 게이지 변환은 진동 모드에 영향을 미치지 않으므로
Im
τ
)
−
1
/
2
{\displaystyle \operatorname {Im} \tau )^{-1/2}}
를 곱해야 하고, 또한
b
1
{\displaystyle b_{1}}
(1차 베티 수 ) 개의 영에너지 모드는 게이지 변환에 영향을 받지 않으므로 이들은
(
Im
τ
)
b
1
/
2
{\displaystyle (\operatorname {Im} \tau )^{b_{1}/2}}
를 기여한다. 즉, 총 경로 적분은 다음과 같은 꼴이다.
Z
(
τ
)
∼
(
Im
τ
)
(
b
1
−
1
)
/
2
∑
p
+
∈
H
+
2
(
M
;
Z
)
q
p
+
2
/
2
∑
p
−
∈
H
−
2
(
M
;
Z
)
q
¯
p
−
2
/
2
{\displaystyle Z(\tau )\sim (\operatorname {Im} \tau )^{(b_{1}-1)/2}\sum _{p_{+}\in H_{+}^{2}(M;\mathbb {Z} )}q^{p_{+}^{2}/2}\sum _{p_{-}\in H_{-}^{2}(M;\mathbb {Z} )}{\bar {q}}^{p_{-}^{2}/2}}
이는 세타 함수 의 일종이며, 이는 무게가
1
2
(
χ
−
σ
,
χ
+
σ
)
{\displaystyle {\frac {1}{2}}(\chi -\sigma ,\chi +\sigma )}
인 (비정칙) 모듈러 형식 이다. 여기서
χ
{\displaystyle \chi }
는
M
{\displaystyle M}
의 오일러 지표 이고,
χ
=
b
2
+
−
b
2
−
{\displaystyle \chi =b_{2}^{+}-b_{2}^{-}}
는 교차 형식의 부호수이다. 무게가 0이 아닌 경우에는 고전적인 모듈러 군 대칭에 변칙 이 생기는 것을 알 수 있다.
4차원에서,
N
=
4
{\displaystyle {\mathcal {N}}=4}
초대칭을 갖는 비가환 양-밀스 이론 에서도 일종의 S-이중성이 성립하는데, 이를 몬토넨-올리브 이중성 (Montonen–Olive duality )이라고 한다.[ 4] [ 5] [ 6] 이는 클라우스 몬토넨(핀란드어 : Claus Montonen )과 데이비드 이언 올리브(David Ian Olive )가 1977년 발견하였다.[ 7]
몬토넨-올리브 이중성은 ⅡB종 초끈 이론 으로 설명할 수 있다.[ 8] [ 9] :186–187
N
=
4
{\displaystyle {\mathcal {N}}=4}
U
(
N
)
{\displaystyle U(N)}
양-밀스 이론은
N
{\displaystyle N}
개의 겹친 D3-막 들 위에 존재하는 유효 이론 이다. D3-막에는 기본 끈 (F-끈)과 D1-막 (D-끈)이 붙어 있는데, F-끈의 끝은 전기 홀극, D-끈의 끝은 자기 홀극 을 이룬다. ⅡB종 초끈 이론에서는 S-이중성은 F-끈과 D-끈을 맞바꾸게 되고, 이 이중성은 물론 D3-막의 유효 이론도 따르게 된다. 이 이중성이 몬토넨-올리브 이중성이다.
4차원
N
=
1
{\displaystyle {\mathcal {N}}=1}
초대칭 양-밀스 이론 에서도 자이베르그 이중성 (Seiberg duality )이라는 S-이중성이 존재한다.[ 10] 이 경우, 서로 대응하는 두 이론은 일반적으로 똑같지 않지만, 낮은 에너지 눈금에서는 재규격화군 흐름에 의하여 서로 같아진다. 서로 대응하는 두 이론의 모듈러스 공간 은 서로 동형이다. 나탄 자이베르그 가 1994년 발견하였다.[ 11]
보다 일반적으로, 맛깔 대칭(flavour symmetry )들을 게이지하면, 이중성 폭포 (duality cascade )라는 일련의 관계들을 얻는다.[ 12]
자이베르그-위튼 이론 (Seiberg–Witten theory )은
N
=
2
{\displaystyle {\mathcal {N}}=2}
4차원 초대칭 게이지 이론 의 모듈러스 공간(moduli space )을 다루는 이론이다. 나탄 자이베르그 와 에드워드 위튼 이 1994년 발표하였다.[ 13] 이에 따라, 많은 경우 양자 초대칭 게이지 이론의 모듈러스 공간을 정확히 계산할 수 있고, 서로 다른 것처럼 보이는 이론들이 S-이중성에 따라 사실 같은 양자장론임을 알 수 있다.
6차원 (2,0) 초등각 장론으로 인한 이중성[ 편집 ]
6차원 (2,0) 초등각 장론 을 각종 차원의 다양체에 콤팩트화 하면, 여러 다양한 S-이중성을 얻는다. 특히, 이를 콤팩트 리만 곡면 에 축소하면, 4차원 초대칭 게이지 이론의 이중성들의 여러 일반화를 얻는다.
초끈 이론 들 사이의 이중성
초끈 이론 들도 S-이중성을 나타낸다.[ 14] ⅡB종 초끈 이론은 스스로에게 대응한다. 즉, 결합 상수
g
{\displaystyle g}
의 ⅡB종 초끈 이론은 결합 상수
1
/
g
{\displaystyle 1/g}
의 이론과 같다. Ⅰ종 초끈 이론 은 SO(32) 잡종 끈 이론 과 대응한다. ⅡA종 초끈 이론과 E8 잡종 이론은 축소화 한 M이론 에 대응하게 된다.
따라서, 일반적으로 M이론 의 이중성들의 군은 T-이중성 과 S-이중성들로 생성된다. T-이중성과 S-이중성을 합성한 이중성을 U-이중성 이라고 한다.[ 15]
S-이중성 아래, 기본 끈 (F-끈)은 D1-막 (D-끈)과 맞바뀌고, D5-막 은 NS5-막 (F5-막)과 맞바뀐다.[ 16]
Ⅰ종 끈 이론 의 기본 끈 은 다른 끈 이론의 끈과 달리 BPS가 아니어서, 일반적으로 안정하지 않다 (즉, 끊어질 수 있다). 이는 Ⅰ종 끈 이론 은 캘브-라몽 장 을 포함하지 아니하므로, 끈이 보존되는 전하에 대하여 대전되어 있지 않기 때문이다. 결합 상수 가 작을 경우 끈이 끊어지는 속도가 느려 섭동 이론 을 전개할 수 있지만, 그 S-이중 이론은 결합 상수 가 큰 경우에 해당하므로 Ⅰ종 끈은 곧 붕괴해 버린다. 반면 Spin(32) 잡종 끈은 BPS이므로 안정하며, I종 이론에서 D1-막 (D-끈) 으로 존재한다.
Spin(32) 잡종 끈 이론의 (기본 끈의) 스펙트럼에는 게이지 군 Spin(32)의 스피너 표현으로 변환하는 상태가 존재한다. 이는 질량을 가지며, BPS 상태가 아니지만, Spin(32) 게이지 전하의 보존으로 인하여 이러한 상태 가운데 가장 가벼운 것은 안정하다.
S-이중성에 따라서, Ⅰ종 끈 이론 에도 이에 대응하는 안정한 상태가 존재한다. S-이중성의 성질에 의하여 이는 물론 Ⅰ종 기본 끈 의 스펙트럼에 등장하지 않는다. (Ⅰ종 기본 끈 의 스펙트럼의 모든 상태는 SO(32)의 텐서 표현을 따른다.) 다만, 초중력 근사에서, 이러한 상태는 호모토피 군
π
8
(
Spin
(
32
)
)
≅
Cyc
(
2
)
{\displaystyle \pi _{8}(\operatorname {Spin} (32))\cong \operatorname {Cyc} (2)}
로서 존재함을 알 수 있다.[ 17] 즉, 9+1차원 시공간 속에서, 입자 주위의 9차원 공간의 등각 무한대인 8차원 초구
S
8
{\displaystyle \mathbb {S} ^{8}}
를 생각하자. 이 경우 호모토피 군의 존재로 인하여, 무한대에서 위와 같이 위상수학적으로 자명하지 않은 꼴을 취하는 게이지 장의 상태를 취할 수 있다. 이는 양-밀스 방정식의 해를 이루지 않으며, 이와 같은 꼴의 해의 최저 에너지 상태는 (만약 존재한다면) 고에너지 물리학(즉, 초끈 이론)에 의존한다.
Ⅰ종 끈 이론 의 관점에서, 이는 BPS 조건을 따르지 않는 D0-막 으로 여길 수 있다.[ 18] [ 19] 이는 BPS가 아니지만, 게이지 전하의 보존으로 인하여 안정하다.
ⅡB 이론은 스스로의 S-이중 이론이다. 또한, ⅡB 이론의 S-대칭은
S
L
(
2
,
Z
)
{\displaystyle SL(2,\mathbb {Z} )}
이다. 이에 따라 기본 끈((1,0)-끈)은 일반적으로 p 개의 기본 끈과 q 개의 D-끈으로 이루어진 (p ,q )-끈 에 대응되게 된다. 마찬가지로 (p ,q ) 5-막도 존재한다. D3-막은 S-이중성에 따라 변환하지 않는다.
7-막과 9-막의 변환은 더 복잡하다. D7-막 은 여차원이 2이므로, 초중력 에서 그 해는 부족각(不足角, 영어 : deficit angle )을 가지며, 액시온(0차 라몽-라몽 장 )과 딜라톤 은 그 주위에서 모노드로미 를 갖는다. 7-막들은 이 액시오딜라톤의 SL(2;ℤ) 모노드로미 행렬로서 분류된다. 부족각의 존재 때문에, 충분히 많은 7-막을 사용하면 ⅡB 초끈 이론의, 양의 곡률을 갖는 다양체 위의 축소화 를 정의할 수 있으며, 이 경우 7-막들은 F이론 에 의하여 타원 곡선 올의 퇴화에 해당한다.
9-막의 경우, 이는 시공간을 채우는 막이므로, 올챙이(영어 : tadpole ) 파인먼 도표 의 상쇄를 위하여 특정한 수의 D9-막과 오리엔티폴드 를 가해야 하며, 이 경우 Ⅰ종 초끈 이론 을 얻는다.
ⅡA종 끈 이론을 K3 곡면 위에 축소화 하여 얻는, 6차원
N
=
(
1
,
1
)
{\displaystyle {\mathcal {N}}=(1,1)}
초끈 이론은 잡종 끈 이론 을 4차원 원환면 위에 축소화하여 얻는 6차원
N
=
(
1
,
1
)
{\displaystyle {\mathcal {N}}=(1,1)}
초끈 이론과 같다.[ 21] :Proposition 1 이 경우, 끈 결합 상수 가 서로 반비례하므로, 이는 S-이중성의 한 형태이다.
ⅡB종 초중력은 ⅡB종 초끈 이론의 저에너지 유효이론 이다. ⅡB종 초끈 이론이
S
L
(
2
,
Z
)
{\displaystyle SL(2,\mathbb {Z} )}
S-이중성을 가지는 것처럼, ⅡB종 초중력도
S
L
(
2
,
R
)
{\displaystyle SL(2,\mathbb {R} )}
S-이중성을 가진다. (초중력을 초끈 이론 으로 양자화하는 과정에서, 양자역학적 효과에 의하여
S
L
(
2
,
R
)
{\displaystyle SL(2,\mathbb {R} )}
가
S
L
(
2
,
Z
)
{\displaystyle SL(2,\mathbb {Z} )}
로 깨진다.)
ⅡB종 초중력의 보손 장들은
S
L
(
2
,
R
)
{\displaystyle SL(2,\mathbb {R} )}
에 대하여 다음과 같이 변환한다.
장
행렬
M
=
(
a
b
c
d
)
∈
S
L
(
2
,
R
)
{\displaystyle M={\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}}\in SL(2,\mathbb {R} )}
에 대한 변환
캘브-라몽 장
B
2
{\displaystyle B_{2}}
및 라몽-라몽 2차 형식
C
2
{\displaystyle C_{2}}
(
B
2
C
2
)
↦
M
(
B
2
C
2
)
{\displaystyle {\binom {B_{2}}{C_{2}}}\mapsto M{\binom {B_{2}}{C_{2}}}}
딜라톤
Φ
{\displaystyle \Phi }
및 라몽-라몽 0차 형식
C
0
{\displaystyle C_{0}}
τ
=
C
0
+
i
exp
(
−
Φ
)
{\displaystyle \tau =C_{0}+i\exp(-\Phi )}
,
τ
↦
(
a
τ
+
b
)
/
(
c
τ
+
d
)
{\displaystyle \tau \mapsto (a\tau +b)/(c\tau +d)}
라몽-라몽 4차 형식
C
4
{\displaystyle C_{4}}
불변
중력장 (아인슈타인 틀)
g
μ
ν
(E)
=
exp
(
−
Φ
/
2
)
g
μ
ν
(string)
{\displaystyle g_{\mu \nu }^{\text{(E)}}=\exp(-\Phi /2)g_{\mu \nu }^{\text{(string)}}}
불변
M이론 에서는 T-이중성 과 S-이중성에 의하여, 보다 더 큰 이산대칭군이 존재한다. 이를 U-이중성 이라고 한다.
통계역학 에서, 각종 격자 모형 들도 S-이중성을 만족한다. 2차원 격자 모형의 S-이중성은 크라머르스-바니어 이중성 (Kramers–Wannier duality )이라고 하며,[ 22] 헨드릭 안토니 크라머르스 와 그레고리 바니어(독일어 : Gregory Hugh Wannier )가 1941년 발표하였다.[ 23] 2차원 이상의 차원에도 유사한 이중성들이 존재한다.
↑ Witten, Edward (1995년 9월). “On S -duality in Abelian gauge theory”. 《Selecta Mathematica》 (영어) 1 (2): 383–410. arXiv :hep-th/9505186 . Bibcode :1995hep.th....5186W . doi :10.1007/BF01671570 . ISSN 1022-1824 . Zbl 0833.53024 .
↑ Verlinde, Erik (1995년 11월 20일). “Global aspects of electric-magnetic duality”. 《Nuclear Physics B》 (영어) 455 (1–2): 211–225. arXiv :hep-th/9506011 . Bibcode :1995NuPhB.445..211V . doi :10.1016/0550-3213(95)00431-Q . ISSN 0550-3213 .
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