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Inquiring electromagnetic quantum fluctuations about the orientability of space
The European Physical Journal C ( IF 4.4 ) Pub Date : 2021-07-15 , DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09426-9
N. A. Lemos 1 , M. J. Rebouças 2
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Orientability is an important global topological property of spacetime manifolds. It is often assumed that a test for spatial orientability requires a global journey across the whole 3-space to check for orientation-reversing paths. Since such a global expedition is not feasible, theoretical arguments that combine universality of physical experiments with local arrow of time, CP violation and CPT invariance are usually offered to support the choosing of time- and space-orientable spacetime manifolds. Another theoretical argument also offered to support this choice comes from the impossibility of having globally defined spinor fields on non-orientable spacetime manifolds. In this paper, we argue that it is possible to locally access spatial orientability of Minkowski empty spacetime through physical effects involving quantum vacuum electromagnetic fluctuations. We study the motions of a charged particle and a point electric dipole subject to these electromagnetic fluctuations in Minkowski spacetime with orientable and non-orientable spatial topologies. We derive analytic expressions for a statistical orientability indicator for both of these point-like particles in two inequivalent spatially flat topologies. For the charged particle, we show that it is possible to distinguish the orientable from the non-orientable topology by contrasting the time evolution of the orientability indicators. This result reveals that it is possible to access orientability through electromagnetic quantum vacuum fluctuations. However, the answer to the central question of the paper, namely how to locally probe the orientability of Minkowski 3-space intrinsically, comes about only in the study of the motions of an electric dipole. For this point-like particle, we find that a characteristic inversion pattern exhibited by the curves of the orientability statistical indicator is a signature of non-orientability. This result makes it clear that it is possible to locally unveil spatial non-orientability through the inversion pattern of curves of our orientability indicator for a point electric dipole under quantum vacuum electromagnetic fluctuations. Our findings might open the way to a conceivable experiment involving quantum vacuum electromagnetic fluctuations to locally probe the spatial orientability of Minkowski empty spacetime.



中文翻译:

探究关于空间定向性的电磁量子涨落

定向性是时空流形的一个重要的全局拓扑特性。通常假设空间定向性测试需要跨越整个 3 空间的全局旅程以检查方向反转路径。由于这样的全球探险是不可行的,通常会提供将物理实验的普遍性与局部时间箭头、CP 违反和 CPT 不变性相结合的理论论据,以支持时间和空间可定向时空流形的选择。另一个支持这一选择的理论论据来自于在不可定向的时空流形上不可能有全局定义的旋量场。在本文中,我们认为,通过涉及量子真空电磁涨落的物理效应,可以局部地获得闵可夫斯基空时的空间定向性。我们用可定向和不可定向的空间拓扑研究了在闵可夫斯基时空中受这些电磁波动影响的带电粒子和点电偶极子的运动。我们为两个不等价的空间平面拓扑中的这两个点状粒子推导出统计定向性指标的解析表达式。对于带电粒子,我们表明可以通过对比定向指标的时间演变来区分可定向拓扑和不可定向拓扑。该结果表明,可以通过电磁量子真空涨落来获得定向性。然而,论文中心问题的答案,即如何从本质上局部探测闵可夫斯基 3 空间的定向性,仅在对电偶极子运动的研究中出现。对于这个点状粒子,我们发现定向性统计指标曲线所表现出的特征反转模式是非定向性的标志。这一结果清楚地表明,在量子真空电磁涨落下,通过我们的点电偶极子定向性指标曲线的反演模式,可以局部揭示空间非定向性。我们的发现可能为一项涉及量子真空电磁涨落的可想象实验开辟道路,以局部探测闵可夫斯基空时空间的空间定向性。即如何从本质上局部探测闵可夫斯基 3 空间的定向性,仅在研究电偶极子的运动时出现。对于这个点状粒子,我们发现定向性统计指标曲线所表现出的特征反转模式是非定向性的标志。这一结果清楚地表明,在量子真空电磁涨落下,通过我们的点电偶极子定向性指标曲线的反演模式,可以局部揭示空间非定向性。我们的发现可能为一项涉及量子真空电磁涨落的可想象实验开辟道路,以局部探测闵可夫斯基空时空间的空间定向性。即如何从本质上局部探测闵可夫斯基 3 空间的定向性,仅在研究电偶极子的运动时出现。对于这个点状粒子,我们发现定向性统计指标曲线所表现出的特征反转模式是非定向性的标志。这一结果清楚地表明,在量子真空电磁涨落下,通过我们的点电偶极子定向性指标曲线的反演模式,可以局部揭示空间非定向性。我们的发现可能为一项涉及量子真空电磁涨落的可想象实验开辟道路,以局部探测闵可夫斯基空时空间的空间定向性。只有在研究电偶极子的运动时才会出现。对于这个点状粒子,我们发现定向性统计指标曲线所表现出的特征反转模式是非定向性的标志。这一结果清楚地表明,在量子真空电磁涨落下,通过我们的点电偶极子定向性指标曲线的反演模式,可以局部揭示空间非定向性。我们的发现可能为一项涉及量子真空电磁涨落的可想象实验开辟道路,以局部探测闵可夫斯基空时空间的空间定向性。只有在研究电偶极子的运动时才会出现。对于这个点状粒子,我们发现定向性统计指标曲线所表现出的特征反转模式是非定向性的标志。这一结果清楚地表明,在量子真空电磁涨落下,通过我们的点电偶极子定向性指标曲线的反演模式,可以局部揭示空间非定向性。我们的发现可能为一项涉及量子真空电磁涨落的可想象实验开辟道路,以局部探测闵可夫斯基空时空间的空间定向性。我们发现定向性统计指标曲线显示的特征反转模式是非定向性的标志。这一结果清楚地表明,在量子真空电磁涨落下,通过我们的点电偶极子定向性指标曲线的反演模式,可以局部揭示空间非定向性。我们的发现可能为一项涉及量子真空电磁涨落的可想象实验开辟道路,以局部探测闵可夫斯基空时空间的空间定向性。我们发现定向性统计指标曲线显示的特征反转模式是非定向性的标志。这一结果清楚地表明,在量子真空电磁涨落下,通过我们的点电偶极子定向性指标曲线的反演模式,可以局部揭示空间非定向性。我们的发现可能为一项涉及量子真空电磁涨落的可想象实验开辟道路,以局部探测闵可夫斯基空时空间的空间定向性。

更新日期:2021-07-15
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