Top Banner
Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana, Zacatecas, México, 1-4 Sept 2014
46

Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Dec 21, 2015

Download

Documents

Sarah Stephens
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Germán Sierra

Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid

Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española

y la Sociedad Matemática Mexicana, Zacatecas, México, 1-4 Sept 2014

Page 2: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Riemann hypothesis (1859):

the complex zeros of the zeta function

all have real part equal to 1/2

ς sn( ) = 0, sn ∈ C → sn =1

2+ i En, En ∈ ℜ, n ∈ Z€

ς(s)

Page 3: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Polya and Hilbert conjecture (circa 1910):

There exists a self-adjoint operator H whose discrete spectra is given by the imaginary part of the Riemann zeros,

H ψ n = En ψ n ⇒ En ∈ ℜ ⇒ RH : True

The problem is to find H: the Riemann operator

This is known as the spectral approach to the RH

Page 4: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Richard DawkingHis girlfriend?

Page 5: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Outline

• The Riemann zeta function• Hints for the spectral interpretation • H = xp model by Berry-Keating and Connes• The xp model à la Berry-Keating revisited• Extended xp models and their spacetime interpretation• xp and Dirac fermion in Rindler space• …….

Page 6: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Based on:

“Landau levels and Riemann zeros” (with P-K. Townsend) Phys. Rev. Lett. 2008

“A quantum mechanical model of the Riemann zeros” New J. of Physics 2008

”The H=xp model revisited and the Riemann zeros”, (with J. Rodriguez-Laguna) Phys. Rev. Lett. 2011

”General covariant xp models and the Riemann zeros” J. Phys. A: Math. Theor. 2012

”An xp model on AdS2 spacetime” (with J. Molina-Vilaplana)Nucl. Phys. B. 2013

”The Riemann zeros as energy levels of a Dirac fermion in a potential built from the prime numbers in Rindler spacetime” J. of Phys. A 2014; arxiv: 1404.4252

Page 7: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

ς(s) =1

n s, Re s >1

1

Zeta(s) can be written in three different “languages”

Sum over the integers (Euler)

Product over primes (Euler)

ς(s) =1

1− p−s, Re s >1

p= 2,3,5,K

Product over the zeros (Riemann)

ς(s) =π s / 2

2(s −1)Γ(1+ s /2)1−

s

ρ

⎝ ⎜

⎠ ⎟

ρ

Importance of RH: imposes a limit to the chaotic behaviour of the primes

If RH is true then “there is music in the primes” (M. Berry)

Page 8: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,
Page 9: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

The number of Riemann zeros in the box

0 < Re s <1, 0 < Ims < E

is given by

NR (E) = N(E) + N fl (E)

N(E) ≈E

2πlog

E

2π−1

⎝ ⎜

⎠ ⎟+

7

8+ O(E−1)

N fl (E) =1

πArgς (

1

2+ i E) = O(log E)

Smooth(E>>1)

Fluctuation

Page 10: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Riemann function

ξ(s) ≡ π −s / 2 Γs

2

⎝ ⎜

⎠ ⎟ς(s)

ξ 1

2− iE

⎝ ⎜

⎠ ⎟=ξ

1

2+ iE

⎝ ⎜

⎠ ⎟

- Entire function- Vanishes only at the Riemann zeros- Functional relation

ξ

ξ(s) =ξ(1 − s)

Page 11: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Support for a spectral interpretation of the Riemann zeros

Selberg’s trace formula (50´s): Classical-quantum correspondence similar to formulas in number theory

Montgomery-Odlyzko law (70´s-80´s): The Riemann zeros behave as the eigenvalues of the GUE in Random Matrix Theory -> H breaks time reversal

Berry´s quantum chaos proposal (80´s-90´s): The Riemann operator is the quantization of a classical chaotic Hamiltonian

Berry-Keating/Connes (99): H = xp could be the Riemann operator

Page 12: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Berry´s quantum chaos proposal (80´s-90´s): the Riemann zeros are spectra of a quantum chaotic system

Analogy between the number theory formula:

N fl (E) = −1

π

1

m pm / 2sin m E log p( )

m=1

∑p

and the fluctuation part of the spectrum of a classical chaotic Hamiltonian

N fl (E) =1

π

1

m2sinh(mλα /2)sin m E Tα( )

m =1

∑α

Dictionary:

Periodic trayectory (α ) ↔ prime number (p)

Period (Tα ) ↔ log p

Idea: prime numbers are “time” and Riemann zeros are “energies”

Page 13: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

• In 1999 Berry and Keating proposed that the 1D classical Hamiltonian H = x p, when properly quantized, may contain the Riemann zeros in the spectrum

• The Berry-Keating proposal was parallel to Connes adelic approach to the RH.

These approaches are semiclassical (heuristic)

Page 14: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

The classical trayectories are hyperbolae in phase space

x(t) = x0 e t , p(t) = p0 e−t , E = x0 p0

Time Reversal Symmetry is broken ( )

x → x, p → −p

The classical H = xp model

Unboundedtrayectories

Page 15: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Berry-Keating regularization

Planck cell in phase space:

x > l x, p >l p , h = l x l p = 2π (h =1)

Number of semiclassical states

Agrees with number of zeros asymptotically (smooth part)

Nsc (E) ≈E

2πlog

E

2π−

E

2π+

7

8

Page 16: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Connes regularization

Cutoffs in phase space:

x < Λ, p < Λ

Number of semiclassical states

As spectrum = continuum - Riemann zeros

Λ→ ∞€

Nsc (E) ≈E

2πlog

Λ2

2π−

E

2πlog

E

2π+

E

Page 17: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Are there quantum versions of the Berry-

Keating/Connes “semiclassical” models?

Page 18: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Are there quantum versions of the Berry-

Keating/Connes “semiclassical” models?

- Quantize H = xp

- Quantize Connes xp model

-Quantize Berry-Keating model

Continuum spectrum

Landau model

xp model revisited

Dirac in Rindler

Page 19: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Define the normal ordered operator in the half-line

H0 =1

2(x ˆ p + ˆ p x) = −i(x

d

dx+

1

2)

φE (x) =1

x1/ 2−i E

H is a self-adjoint operator: eigenfunctions

The spectrum is a continuum

E ∈(−∞,∞)

0 < x < ∞

Quantization of H = xp

On the real line H is doubly degenerate with even and oddeigenfunctions under parity

φE+(x) =

1

x1/ 2−i E , φE

− (x) =sign(x)

x1/ 2−i E

Page 20: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

H = x p +l p

2

p

⎝ ⎜

⎠ ⎟, x ≥ l x

(with J. Rodriguez-Laguna 2011)

Classical trayectories arebounded and periodic

xp trajectory

l x

The semiclassical spectrumagrees with the smooth zeros

Page 21: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Quantization

H = x ˆ p +l p

2

ˆ p

⎝ ⎜

⎠ ⎟ x

Eigenfunctions

x −1/ 2

Page 22: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

H is selfadjoint acting on the wave functions satisfying

Which yields the eq. for the eigenvalues

ϑ =0 ↔ En, − En , E0 = 0

ϑ = π ↔ En, − En , E0 ≠ 0

parameter of the self-adjoint extension

Riemann zeros also appear in pairs and 0 is not a zero, i.e

ς(1/2) ≠ 0

ϑ =π

ϑ

Periodic

Antiperiodic

Page 23: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

In the limit

E /l x l p >>1

n(E) ≈E

2π hlog

E

l x l p

−1 ⎛

⎝ ⎜ ⎜

⎠ ⎟ ⎟+

1

2+ O(1/ E)

l x l p = 2π h

n(E) ≈E

2π hlog

E

2π h−1

⎝ ⎜

⎠ ⎟+

1

2+ O(1/ E)

Not 7/8

Agrees withfirst two termsin Riemann formula

Page 24: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Berry-Keating modification of xp (2011)

H = x +l x

2

x

⎝ ⎜

⎠ ⎟ p +

l p2

p

⎝ ⎜

⎠ ⎟, x ≥ 0

ˆ H = x +l x

2

x

⎝ ⎜

⎠ ⎟

1/ 2

ˆ p +l p

2

ˆ p

⎝ ⎜

⎠ ⎟ x +

l x2

x

⎝ ⎜

⎠ ⎟

1/ 2

xp =cte

Same as Riemann but the 7/8 is also missing

Page 25: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

These two models explain the smooth part of the Riemann zeros but not the fluctuations. The reason is that theseHamiltonians are not chaotic, and do not contain isolatedperiodic orbits related to the prime numbers.

In fact any conservative 1D Hamiltonian will have all its orbitsperiodic.

Page 26: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Geometric interpretation of the general xp models

GS 2012

The action corresponds to a relativistic massive particle moving ina spacetime in 1 +1 dimensions with a metric given by U and V

l p = maction:

metric:

curvature:

The trayectories of the xp model are geodesics

Page 27: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

H = x p +l p

2

p

⎝ ⎜

⎠ ⎟→U = V = x →R(x) = 0 : spacetime is flat

Change of variables to Minkowsky metric

ds2 = ημν dx μ dxν

spacetime region

x ≥ l x, − ∞ < t <∞

l x€

U

Page 28: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

l x

Rindler spacetime

ρ ≥l x, − ∞ < φ < ∞

Boundary : world line of accelerated observer with

a =1/l x

U

ds2 = dρ 2 −ρ 2 dφ2

x 0 = ρ sinhφ, x1 = ρ coshφ

Rindler coordinates

The black hole metric near the horizon can be approximated by the Rindler metric -> applications to Quantum Gravity

Page 29: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Dirac fermion in Rindler space (GS 2014)

Boundary condition

The domain U is invariant under shifts of the Rindler time

φ

Equation of motion

i∂φ χ = HR χ , χ =χ −

χ +

⎝ ⎜

⎠ ⎟

Rindler Hamiltonian

HR =−i(ρ ∂ρ +1/2) m ρ

m ρ i(ρ ∂ρ +1/2)

⎝ ⎜

⎠ ⎟

−ie iϑ χ− = χ+ at ρ = l x

Page 30: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

We recover the spectum of the x(p+1/p) model

χ±(ρ,φ) = e−i E φ miπ / 4 K1/ 2± i E (m ρ )

The boundary condition gives the equation for the eigenvalues

e iϑ K1/ 2−i E (m l x ) − K1/ 2+i E (m l x ) = 0

Page 31: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Summary:

- xp model can be formulated as a relativistic field theoryof a massive Dirac fermion in a domain of Rindler spacetime

is the mass and is the acceleration of the boundary

- energies agree with the first two terms of Riemann formula provided

1/l x

l p

l xl p = 2π h

Where are the primes?

Page 32: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Moving mirrors and prime numbers:

Moving mirror: is a mirror whose acceleration is constant

l n

First mirror is perfect (n=1)

Mirrors n=2,3,…. areSemitransparent (beam splitters)

l n = l 1 n

Page 33: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Light ray trayectory

(ρ1,φ1) → (ρ 2,φ2)

Periodic trajectory: boundary -> n^th mirror -> boundary

This is the time measured by the observer’s clock (=propertime)

Page 34: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Double reflection: 1 –> n1 -> 1 -> n2 -> 1

Triple reflection

prime numbers correspond to unique paths characterized by observer proper times equal to log p

Spacetime implementation of Erathostenes sieve

Page 35: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

harmonic mirror array

l n = l 0 en / 2

Proper times for reflection and double reflection

Page 36: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Dirac action with delta function potentials

We now take a massless fermion and add delta function interactionslocalized in the position of the mirrors

Depends on three reflection coefficients

Page 37: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Between the mirrors the fermion moves freely with the Hamiltonian

The delta functions give the matching conditions of the wave functions

The Hamiltonian with these BC’s is selfadjoint

Page 38: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

In the n^th interval

Define

The BC’s imply

Eigenvalue problem

Page 39: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Scalar product

Solutions for which the norm is finite (discrete spectrum) or normalizablein the Dirac delta sense (continuous spectrum)

Page 40: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

A semiclassical approximation

Recursive solution

Assume that

Page 41: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Harmonic model

If

If the state is not normalizable (missing in the spectrum)

ϑ ≠0, π

Page 42: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

If the state is normalizable in the Dirac sense

The harmonic model can be solved exactly

States in the continuum

Page 43: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

The Riemann model

Moebius function

If the spectrum is a continuum

σ >1/2

In the limit when En is a Riemann zero one finds

σ → 1/2

Page 44: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Recall

Diverges as unless we choose

σ → 1/2

Norm of the state

In the semiclassical limit the zeros appear as eigenvalues of the Rindler Hamiltonian, but this requires a fine tuning of the parameter

ϑUnder certain assumptions one can show that there are not zerosoutside the critical line -> Proof of the Riemann hypothesis

Page 45: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

• We have formulated the H = x(p+ 1/p) in terms of a Dirac fermion

in Rindler spacetime. This gives a new interpretation of the Berry-Keating parameters

• To incorporate the prime numbers we have formulated a new model

based on a massless Dirac fermion with delta function potentials.

• We have obtained the general solution and in a semiclassical limit we found a spectral realization of the Riemann zeros by choosing a potential related to the prime numbers.

• The construction suggests a connection between Quantum Gravity and Number theory.

l x , l p

Page 46: Germán Sierra Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid Tercer Encuentro Conjunto de la Real Sociedad Matemática Española y la Sociedad Matemática Mexicana,

Muchas gracias por su atención