john c. baez- spin networks in nonperturbative quantum gravity

8/3/2019 John C. Baez- Spin Networks in Nonperturbative Quantum Gravity

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S p i n N e t w o r k s i n N o n p e r t u r b a t i v e Q u a n t u m G r a v i t y

J o h n C . B a e z

D e p a r t m e n t o f M a t h e m a t i c s

U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a

R i v e r s i d e C A 9 2 5 2 1

e m a i l : b a e z @ m a t h . u c r . e d u

A p r i l 1 5 , 1 9 9 5

P u b l i s h e d i n T h e I n t e r f a c e o f K n o t s a n d P h y s i c s ,

e d . L o u i s K a u m a n , A M S , P r o v i d e n c e , R h o d e I s l a n d , 1 9 9 6 , p p . 1 6 7 - 2 0 3

A b s t r a c t

A s p i n n e t w o r k i s a g e n e r a l i z a t i o n o f a k n o t o r l i n k : a g r a p h

e m b e d d e d i n s p a c e , w i t h e d g e s l a b e l l e d b y r e p r e s e n t a t i o n s o f a L i e

g r o u p , a n d v e r t i c e s l a b e l l e d b y i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r s . S u c h o b j e c t s

p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n 3 - d i m e n s i o n a l t o p o l o g i c a l q u a n t u m e l d t h e -

o r y , f u n c t i o n a l i n t e g r a t i o n o n t h e s p a c e A = G o f c o n n e c t i o n s m o d u l o

g a u g e t r a n s f o r m a t i o n s , a n d t h e l o o p r e p r e s e n t a t i o n o f q u a n t u m g r a v -

i t y . H e r e , a f t e r a n i n t r o d u c t i o n t o t h e b a s i c i d e a s o f n o n p e r t u r b a t i v e

c a n o n i c a l q u a n t u m g r a v i t y , w e r e v i e w a r i g o r o u s a p p r o a c h t o f u n c -

t i o n a l i n t e g r a t i o n o n A = G i n w h i c h L

2

( A = G ) i s s p a n n e d b y s t a t e s l a -

b e l l e d b y s p i n n e t w o r k s . T h e n w e e x p l a i n t h e ` n e w v a r i a b l e s ' f o r g e n -

e r a l r e l a t i v i t y i n 4 - d i m e n s i o n a l s p a c e t i m e a n d d e s c r i b e h o w c a n o n i c a l

q u a n t i z a t i o n o f g r a v i t y i n t h i s f o r m a l i s m l e a d s t o i n t e r e s t i n g a p p l i c a -

t i o n s o f t h e s e s p i n n e t w o r k s t a t e s .

1 I n t r o d u c t i o n

S p i n n e t w o r k s a r e a g e n e r a l i z a t i o n o f k n o t s a n d l i n k s , a n d i n w h a t f o l l o w s w e

w o u l d l i k e t o d e s c r i b e s o m e o f t h e i r r e c e n t a p p l i c a t i o n s t o q u a n t u m g r a v i t y ,

a n d a l s o a l i t t l e b i t o f t h e i r r o l e i n k n o t t h e o r y . K n o t t h e o r y i s a w e l l -

e s t a b l i s h e d b r a n c h o f m a t h e m a t i c s , f u l l o f i n t e r e s t i n g t h e o r e m s , a n d i t i s

e a s y a s a m a t h e m a t i c i a n t o a c q u a i n t o n e s e l f w i t h i t b y r e a d i n g a n y o f a n u m -

b e r o f t e x t s . Q u a n t u m g r a v i t y , o n t h e o t h e r h a n d , i s m o r e d i c u l t f o r t h e

1



m a t h e m a t i c i a n , c o n s i s t i n g a s i t d o e s m a i n l y o f u n s o l v e d a n d u s u a l l y i m p r e -

c i s e l y p o s e d q u e s t i o n s . T h u s i t s e e m s w o r t h w h i l e t o s t a r t w i t h a t h u m b n a i l

s k e t c h o f q u a n t u m g r a v i t y , f o c u s i n g o n a n a p p r o a c h k n o w n a s ` n o n p e r t u r b a -

t i v e c a n o n i c a l q u a n t i z a t i o n ' .

A f t e r t h i s h e u r i s t i c i n t r o d u c t i o n , w e g i v e a m a t h e m a t i c a l l y r i g o r o u s a c -

c o u n t o f s p i n n e t w o r k s i n S e c t i o n 2 . F o r u s , s p i n n e t w o r k s w i l l b e g r a p h s

e m b e d d e d i n a m a n i f o l d S , w i t h e d g e s l a b e l l e d b y r e p r e s e n t a t i o n s o f a L i e

g r o u p G a n d w i t h v e r t i c e s l a b e l l e d b y i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r s . S p i n n e t -

w o r k s d e n e g a u g e - i n v a r i a n t f u n c t i o n s o n t h e s p a c e A o f c o n n e c t i o n s o n a n y

G - b u n d l e o v e r S , a n d w e s h a l l s h o w t h a t t h e s e f u n c t i o n s s p a n t h e g a u g e -

i n v a r i a n t s u b s p a c e L

2

( A = G ) o f a c e r t a i n H i l b e r t s p a c e L

2

( A ) . I n S e c t i o n s 3

a n d 4 w e g o b a c k t o t h e p h y s i c s a n d g i v e a m o r e d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e

r o l e s p i n n e t w o r k s p l a y i n q u a n t u m g r a v i t y .

I n t h e l a t t e r p a r t o f t h e t w e n t i e t h c e n t u r y , m u c h e n e r g y h a s b e e n s p e n t

i n a s t r u g g l e t o r e c o n c i l e t w o b r i l l i a n t a c c o m p l i s h m e n t s o f t h e e a r l y p a r t o f

t h e c e n t u r y : g e n e r a l r e l a t i v i t y a n d q u a n t u m t h e o r y . S o f a r t h e r e i s r e m a r k -

a b l y l i t t l e t o s h o w f o r a l l t h i s w o r k w h e n i t c o m e s t o v e r i e d p r e d i c t i o n s o f

e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . I n d e e d , i t i s q u i t e p o s s i b l e t h a t t h e n e w p r e d i c t i o n s o f

a t h e o r y o f q u a n t u m g r a v i t y c a n o n l y b e t e s t e d a t e x t r e m e l y s m a l l l e n g t h

s c a l e s , f a r b e l o w t h o s e t h a t c a n b e p r o b e d b y c u r r e n t e x p e r i m e n t a l t e c h -

n i q u e s . T h e r e a s o n f o r t h i s i s s i m p l e d i m e n s i o n a l a n a l y s i s : f r o m P l a n c k ' s

c o n s t a n t h , N e w t o n ' s g r a v i t a t i o n a l c o n s t a n t , a n d t h e s p e e d o f l i g h t c o n e

c a n f o r m a q u a n t i t y w i t h u n i t s o f l e n g t h , t h e P l a n c k l e n g t h

̀

P

= ( h = c

3

)

1 = 2

;

i n a u n i q u e w a y ( u p t o d i m e n s i o n l e s s c o n s t a n t f a c t o r s ) . T h i s w o r k s o u t t o

b e a b o u t 1 0

? 3 5

m e t e r s . I f w e a r e h o p i n g t o g e t e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e f o r

a n y t h e o r y o f q u a n t u m g r a v i t y i n t h e f o r s e e a b l e f u t u r e , w e h a v e t o h o p e t h a t

s o m e h o w t h i s s i m p l e a r g u m e n t i s w r o n g . T h e r e a r e c e r t a i n l y m a n y p h e n o m -

e n a a l r e a d y o b s e r v e d , b u t s o f a r u n e x p l a i n e d , t h a t a t h e o r y o f q u a n t u m g r a v -

i t y m i g h t h o p e t o ` r e t r o d i c t ' : p h e n o m e n a f r o m p a r t i c l e p h y s i c s , p h e n o m e n a

f r o m c o s m o l o g y , e v e n p h e n o m e n a s u c h a s t h e 4 - d i m e n s i o n a l i t y o f s p a c e t i m e

t h a t a r e t a k e n f o r g r a n t e d i n a l l c u r r e n t t h e o r i e s o f p h y s i c s . P h y s i c i s t s h a v e

s u g g e s t e d m a n y i d e a s a l o n g t h e s e l i n e s , b u t n o n e c o m m a n d w i d e s p r e a d a c -

c e p t a n c e a t t h i s t i m e ; t h e y a r e a l l s o m e w h e r e b e t w e e n c o n t r o v e r s i a l t h e o r i e s

a n d s h e e r l u n a c y .

2



I n s h o r t , i f t h e r e w e r e s e v e r a l c o m p e t i n g w e l l - e s t a b l i s h e d t h e o r i e s o f q u a n -

t u m g r a v i t y , t h e l a c k o f e m p i r i c a l e v i d e n c e t o d e c i d e b e t w e e n t h e m c o u l d

e a s i l y b e a s e r i o u s p r o b l e m . L u c k i l y n a t u r e h a s b e e n k i n d t o u s , i n t h a t

w e h a v e b e e n u n a b l e t o f o r m u l a t e e v e n o n e t h e o r y c o m b i n i n g g e n e r a l r e l a -

t i v i t y a n d q u a n t u m t h e o r y i n a m a n n e r t h a t i s m a t h e m a t i c a l l y c o n s i s t e n t ,

n o t i n o b v i o u s c o n t r a d i c t i o n w i t h e x p e r i m e n t , a n d e l e g a n t . T h e i m p o r t a n c e

o f m a t h e m a t i c a l c o n s i s t e n c y a n d n o n - c o n t r a d i c t i o n w i t h e x p e r i m e n t s h o u l d

b e o b v i o u s , b u t t h e r o l e o f e l e g a n c e d e s e r v e s s o m e c o m m e n t . F i r s t , i t i s a l -

w a y s p o s s i b l e t o n d i n n i t e l y m a n y c o n s i s t e n t t h e o r i e s t h a t t a g i v e n n i t e

s e t o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , j u s t a s t h e r e a r e i n n i t e l y m a n y c u r v e s t h r o u g h

a n i t e s e t o f p o i n t s , a n d w i t h o u t t h e f r e e d o m t o r e j e c t m o s t o f t h e m a s

a p p a l l i n g l y u g l y , w e w o u l d n e v e r g e t a n y w h e r e . S e c o n d , t h e r e i s t h e f a c t

t h a t t a k e n s e p a r a t e l y , g e n e r a l r e l a t i v i t y a n d q u a n t u m t h e o r y a r e s t r i k i n g l y

e s t h e t i c a s p u r e m a t h e m a t i c s . T h i s c o u l d b e a m e r e c o i n c i d e n c e , b u t i n t h e

a b s e n c e o f e v i d e n c e t o t h e c o n t r a r y i t i s p r o b a b l y b e s t t o t a k e i t a s a h i n t ,

a n d s e a r c h f o r a t h e o r y c o m b i n i n g t h e m o s t b e a u t i f u l a s p e c t s o f b o t h i n a n

i n t e g r a l m a n n e r . I n d e e d , t h o u g h t h e ` u n r e a s o n a b l e e e c t i v e n e s s ' o f e l e g a n t

m a t h e m a t i c s i s s t i l l a g r e a t m y s t e r y , i t i s a l s o a n e m p i r i c a l f a c t , s o e v e n a s

h a r d - n o s e d e m p i r i c i s t s w e s h o u l d h e e d i t .

M a n y p h y s i c i s t s , p a r t i c u l a r l y i n s t r i n g t h e o r y , h a v e a r g u e d t h a t i t i s i m -

p o s s i b l e t o r e c o n c i l e g e n e r a l r e l a t i v i t y a n d q u a n t u m t h e o r y w i t h o u t t a k i n g

a l l t h e o t h e r f o r c e s a n d p a r t i c l e s i n t o a c c o u n t . H e r e h o w e v e r w e c o n c e n t r a t e

o n a d i a m e t r i c a l l y o p p o s i t e a p p r o a c h , w h i c h t r i e s t o c o n s t r u c t a q u a n t u m

v e r s i o n o f t h e v a c u u m E i n s t e i n e q u a t i o n s | t h e t h e o r y o f g r a v i t y w i t h n o

m a t t e r a r o u n d . W e s h a l l n o t a t t e m p t t o d i s c u s s t h e r e l a t i v e m e r i t s o f t h e t w o

a p p r o a c h e s , b u t s i m p l y n o t e t h e c u r i o u s f a c t t h a t s o m e o f t h e s a m e m a t h e -

m a t i c s s h o w s u p i n b o t h , p o s s i b l y f o r s o m e d e e p r e a s o n s t h a t w o u l d b e g o o d

t o u n d e r s t a n d 1 1 ] .

I n w h a t f o l l o w s w e n e e d t o a s s u m e a n o d d i n g a c q u a i n t a n c e w i t h s o m e

d i e r e n t i a l g e o m e t r y . L e t u s t a k e a s o u r s p a c e t i m e a 4 - m a n i f o l d M d i e o -

m o r p h i c t o R S , w h e r e R r e p r e s e n t s t i m e a n d t h e 3 - m a n i f o l d S ( c o m p a c t

a n d o r i e n t a b l e t o s i m p l i f y t h e d i s c u s s i o n ) r e p r e s e n t s s p a c e . T h e v a c u u m E i n -

s t e i n e q u a t i o n c o n c e r n s a L o r e n t z i a n m e t r i c g o n M . G i v e n s u c h a m e t r i c

t h e r e i s a u n i q u e m e t r i c - p r e s e r v i n g , t o r s i o n - f r e e c o n n e c t i o n ? , t h e L e v i - C i v i t a

c o n n e c t i o n . T h e c u r v a t u r e o f t h i s c o n n e c t i o n i s d e s c r i b e d b y t h e R i e m a n n

t e n s o r R , w h i c h i n l o c a l c o o r d i n a t e s i s w r i t t e n R

. A c e r t a i n a m o u n t o f

i n f o r m a t i o n a b o u t t h e c u r v a t u r e o f s p a c e t i m e i s t h u s c o n t a i n e d i n t h e R i c c i

3



t e n s o r R

= R

, a n d t h e v a c u u m E i n s t e i n e q u a t i o n s a y s s i m p l y t h a t

R

= 0 :

T o u n d e r s t a n d w h y p r e c i s e l y t h e s e a r e t h e e q u a t i o n s d e s c r i b i n g t h e c u r -

v a t u r e o f e m p t y s p a c e t i m e , t h o u g h , i t i s n e c e s s a r y t o s t e p b a c k a n d c o n s i d e r

t h e c a s e w h e r e t h e r e i s m a t t e r p r e s e n t . I n t h e p r e s e n c e o f m a t t e r , t h e d e n s i t y

o f e n e r g y a n d m o m e n t u m a n d t h e i r r a t e o f o w i n d i e r e n t s p a t i a l d i r e c t i o n s

a r e s u m m a r i z e d b y a s y m m e t r i c t e n s o r T

. T h e s e n s e i n w h i c h e n e r g y a n d

m o m e n t u m a r e c o n s e r v e d i n g e n e r a l r e l a t i v i t y i s q u i t e s u b t l e , b u t t h e s i m p l e s t

w a y o f s t a t i n g t h i s c o n s e r v a t i o n p r i n c i p l e i s t h a t T

i s ` d i v e r g e n c e - f r e e ' :

r

T

= 0 ;

w h e r e r i s t h e o p e r a t o r o f c o v a r i a n t d i e r e n t i a t i o n c o r r e s p o n d i n g t o t h e

L e v i - C i v i t a c o n n e c t i o n . I f w e w i s h t o s a y t h a t s p a c e t i m e i s c u r v e d b y e n e r g y

a n d m o m e n t u m , i t i s n a t u r a l t o t r y s o m e e q u a t i o n l i k e

C

= T

w h e r e C i s b u i l t u p f r o m t h e R i e m a n n t e n s o r i n s o m e s i m p l e w a y . H o w e v e r ,

a r e c o n s t r a i n e d b y t h e f a c t t h a t C m u s t b e s y m m e t r i c a n d d i v e r g e n c e - f r e e .

T h e s i m p l e s t t h i n g t o t r y i s s o m e m u l t i p l e o f

G

= R

?

1

2

R

g

;

b e c a u s e t h i s i s s y m m e t r i c a n d , b y t h e B i a n c h i i d e n t i t y , a l s o d i v e r g e n c e - f r e e .

I n f a c t , E i n s t e i n ' s e q u a t i o n i n t h e p r e s e n c e o f m a t t e r s a y s t h a t

G

= 8 T

:

B u t i n a v a c u u m T

= 0 , s o w e o b t a i n

G

= 0 ;

w h i c h t u r n s o u t t o b e e q u i v a l e n t t o t h e v a n i s h i n g o f t h e R i c c i t e n s o r .

T o s e e h o w t h e v a c u u m E i n s t e i n e q u a t i o n d e s c r i b e s t h e d y n a m i c s o f t h e

m e t r i c , i t i s u s e f u l t o s p l i t s p a c e t i m e i n t o s p a c e a n d t i m e . T h e m a n i f o l d M

i s d i e o m o r p h i c t o R S , b u t n o t i n a n y c a n o n i c a l w a y . N o n e t h e l e s s , l e t u s

4



g o a h e a d a n d p i c k a d i e o m o r p h i s m b e t w e e n t h e m . T h i s l e t s u s t r a n s f e r t h e

u s u a l c o o r d i n a t e f u n c t i o n o n R t o a ` t i m e ' f u n c t i o n x

0

o n M , s o w e c a n t a l k

a b o u t t h e m e t r i c o n s p a c e a t t i m e t , t h a t i s , t h e m e t r i c g r e s t r i c t e d t o t h e

s l i c e

S

t

= f x

0

= t g M :

A s s u m e w e c a n c h o o s e t h e s l i c e s S

t

t o b e s p a c e l i k e , m e a n i n g t h a t t h e r e -

s t r i c t i o n o f g t o e a c h o n e i s a R i e m a n n i a n m e t r i c . W e c a n o n l y d o t h i s i f g

i s ` g l o b a l l y h y p e r b o l i c ' , b u t p h y s i c a l l y t h i s i s a r e a s o n a b l e c o n d i t i o n . T h e n ,

n e a r a n y p o i n t p 2 M , w e c a n n d l o c a l c o o r d i n a t e s x

s u c h t h a t x

0

i s t h e

a b o v e t i m e f u n c t i o n , t h e v e c t o r e l d @

0

i s n o r m a l t o t h e s l i c e s , a n d t h e v e c t o r

e l d s @

i

c o r r e s p o n d i n g t o t h e r e m a i n i n g ` s p a c e ' c o o r d i n a t e s x

i

( i = 1 ; 2 ; 3 )

a r e t a n g e n t t o t h e s l i c e s . O n e d o e s n o t r e a l l y n e e d t o u s e c o o r d i n a t e s w i t h

t h e s e s p e c i a l p r o p e r t i e s , b u t i t s i m p l i e s t h e d i s c u s s i o n b e l o w .

S i n c e G

i s a s y m m e t r i c 4 4 m a t r i x , t h e v a c u u m E i n s t e i n e q u a t i o n

r e a l l y h a s 1 0 c o m p o n e n t s . S p l i t t i n g s p a c e t i m e i n t o s p a c e a n d t i m e l e t s u s

i n t e r p r e t t h e s e c o m p o n e n t s a s f o l l o w s . T h e e q u a t i o n G

0 0

= 0 a n d t h e 3

e q u a t i o n s G

0 i

= 0 a r e c o n s t r a i n t s o n t h e m e t r i c o n s p a c e , g

i j

, a n d i t s r s t

t i m e d e r i v a t i v e _ g

i j

. I n o t h e r w o r d s , G

0 0

a n d G

0 i

c a n b e c o m p u t e d o n t h e

s l i c e S

t

i n t e r m s o f t h e ` i n i t i a l d a t a ' g

i j

a n d _ g

i j

o n t h a t s l i c e , a n d f o r t h e r e

t o b e a s o l u t i o n o f E i n s t e i n ' s e q u a t i o n h a v i n g g i v e n i n i t i a l d a t a , t h e i n i t i a l

d a t a m u s t s a t i s f y t h e c o n s t r a i n t s G

0 0

= G

0 i

= 0 . T h e r e m a i n i n g 6 e q u a t i o n s

G

i j

= 0 a r e e v o l u t i o n a r y e q u a t i o n s i n v o l v i n g t h e s e c o n d t i m e d e r i v a t i v e g

i j

.

T h e y a l l o w u s t o c o m p u t e h o w t h e m e t r i c e v o l v e s i n t i m e , g i v e n t h a t t h e

c o n s t r a i n t s h o l d i n i t i a l l y .

I n f a c t , t h e c o n s t r a i n t s h a v e a s i m p l e m e a n i n g , w h i c h t u r n s o u t t o b e v e r y

i m p o r t a n t . T o u n d e r s t a n d t h i s m e a n i n g , h o w e v e r , w e n e e d a b r i e f d e t o u r i n t o

c l a s s i c a l m e c h a n i c s . I t i s w o r t h r e c a l l i n g t h e s i m p l e s t c l a s s i c a l m e c h a n i c s

p r o b l e m o f a l l , t h e m o t i o n o f a p a r t i c l e o n t h e l i n e i n a p o t e n t i a l V . T h e

p a r t i c l e ' s p o s i t i o n i s a p o i n t q i n t h e s p a c e R , a n d o n e c a l l s t h i s s p a c e o f

p o s s i b l e p o s i t i o n s t h e ` c o n g u r a t i o n s p a c e ' . T h e m o t i o n o f t h e p a r t i c l e i s

d e t e r m i n e d b y i t s p o s i t i o n q a n d v e l o c i t y _ q a t t i m e z e r o , b u t i t i s o f t e n

h a n d i e r t o w o r k n o t w i t h i t s v e l o c i t y b u t w i t h i t s m o m e n t u m p = m _ q , w h e r e

m i s i t s m a s s . T h e p o s i t i o n a n d m o m e n t u m d e t e r m i n e a p o i n t ( q ; p ) i n t h e

` p h a s e s p a c e ' T

R , s i n c e t h e m o m e n t u m i s m o s t n a t u r a l l y r e g a r d e d a s a

c o t a n g e n t v e c t o r t o t h e c o n g u r a t i o n s p a c e . T h i s p h a s e s p a c e h a s a c l o s e d

5



n o n d e g e n e r a t e 2 - f o r m , o r ` s y m p l e c t i c s t r u c t u r e ' , o n i t , g i v e n b y

! = d p ̂ d q :

T h e e n e r g y , o r H a m i l t o n i a n , o f t h e p a r t i c l e i s a f u n c t i o n o n p h a s e s p a c e ,

g i v e n b y t h e s u m o f k i n e t i c a n d p o t e n t i a l e n e r g y :

H =

p

2

2 m

+ V ( q ) :

T h e H a m i l t o n i a n g i v e s r i s e t o a v e c t o r e l d v

H

o n p h a s e s p a c e b y

! ( ; v

H

) = d H :

T h i s v e c t o r e l d g e n e r a t e s a o n e - p a r a m e t e r g r o u p o f d i e o m o r p h i s m s o f p h a s e

s p a c e , o r ` o w ' , w h i c h d e s c r i b e s t h e t i m e e v o l u t i o n o f t h e p a r t i c l e . F o r s h o r t ,

o n e s a y s t h a t t h e H a m i l t o n i a n g e n e r a t e s t i m e e v o l u t i o n . I n d e e d , q u i t e o f t e n

i n c l a s s i c a l m e c h a n i c s t h e p h a s e s p a c e i s a s y m p l e c t i c m a n i f o l d a n d t i m e e v o -

l u t i o n i s g e n e r a t e d b y t h e H a m i l t o n i a n i n t h i s m a n n e r . A n d q u i t e o f t e n t h e

p h a s e s p a c e i s t h e c o t a n g e n t b u n d l e o f s o m e c o n g u r a t i o n s p a c e ; c o t a n g e n t

b u n d l e s a r e e q u i p p e d w i t h a c a n o n i c a l s y m p l e c t i c s t r u c t u r e .

I n g e n e r a l r e l a t i v i t y , t h e q u a n t i t y a n a l o g o u s t o t h e ` p o s i t i o n ' i s t h e m e t -

r i c g

i j

o n s p a c e , a n d w e s h a l l h e n c e f o r t h w r i t e t h i s a s q

i j

t o e m p h a s i z e t h e

a n a l o g y . T h e c o n g u r a t i o n s p a c e o f g e n e r a l r e l a t i v i t y i s t h u s t h e s p a c e M

o f a l l R i e m a n n i a n m e t r i c s o n S . T h e q u a n t i t y a n a l o g o u s t o t h e ` v e l o c i t y ' i s

t h e t i m e d e r i v a t i v e _ q

i j

. F o l l o w i n g c e r t a i n s t a n d a r d r e c i p e s , t h e a n a l o g o f t h e

m o m e n t u m w o r k s o u t t o b e

p

i j

=

1

2

( d e t q

i j

)

1 = 2

( _ q

i j

? _ q

k

k

q

i j

) :

T h e p h a s e s p a c e o f g e n e r a l r e l a t i v i t y i s t h e c o t a n g e n t b u n d l e T

M , a n d t h e

p a i r ( q

i j

; p

i j

) d e t e r m i n e s a p o i n t i n t h i s p h a s e s p a c e .

S i n c e o n e c a n w r i t e t h e c o n s t r a i n t s G

0 0

a n d G

0 i

i n t e r m s o f q

i j

a n d p

i j

,

o n e c a n t h i n k o f t h e s e c o n s t r a i n t s a s f u n c t i o n s o n T

M . F r o m t h i s p o i n t o f

v i e w , t h e y p l a y a d u a l r o l e 2 7 ] . F i r s t , a s a l r e a d y n o t e d , f o r t h e p a i r ( q

i j

; p

i j

)

t o d e t e r m i n e a s o l u t i o n o f E i n s t e i n ' s e q u a t i o n , i t m u s t l i e o n t h e s u b s p a c e o f

T

M w h e r e t h e c o n s t r a i n t s v a n i s h . S e c o n d , a n d m o r e s u b t l y , t h e c o n s t r a i n t s

g e n e r a t e p h y s i c a l l y i m p o r t a n t o w s o n p h a s e s p a c e .

6



F o r e x a m p l e , i f w e i n t e g r a t e G

0 0

o v e r S , w e o b t a i n a f u n c t i o n o n T

M

w h i c h g e n e r a t e s t i m e e v o l u t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e t i m e c o o r d i n a t e x

0

. F o r

t h i s r e a s o n p h y s i c i s t s c a l l t h i s c o n s t r a i n t t h e ` H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t ' , a n d

u s e t h e n o t a t i o n

H = G

0 0

i n t h i s c o n t e x t . O n t h e o t h e r h a n d , i f w e t a k e a v e c t o r e l d N o n S a n d

i n t e g r a t e N

i

G

0 i

o v e r S , w e o b t a i n a f u n c t i o n o n T

M g e n e r a t i n g a o w w h i c h

i s t h e s a m e a s t h a t i n d u c e d b y t h e o n e - p a r a m e t e r g r o u p o f d i e o m o r p h i s m s

o f S g e n e r a t e d b y N . P h y s i c i s t s c a l l t h i s c o n s t r a i n t t h e ` d i e o m o r p h i s m

c o n s t r a i n t ' , a n d w r i t e i t a s

H

i

= G

0 i

:

I t i s i m p o r t a n t t o n o t e , h o w e v e r , t h a t b o t h H a n d H

i

c o r r e s p o n d t o o n e -

p a r a m e t e r g r o u p s o f d i e o m o r p h i s m s o f s p a c e t i m e : H c o r r e s p o n d s t o d i e o -

m o r p h i s m s t h a t ` p u s h S f o r w a r d s i n t i m e ' , w h i l e H

i

c o r r e s p o n d s t o d i e o -

m o r p h i s m s t h a t m a p S t o i t s e l f .

N o w l e t u s t u r n t h e p r o b l e m o f q u a n t i z i n g g e n e r a l r e l a t i v i t y , t h a t i s ,

g u e s s i n g a q u a n t u m t h e o r y t h a t r e d u c e s t o E i n s t e i n ' s e q u a t i o n i n t h e l i m i t

h ! 0 . A g a i n , i t i s g o o d t o r e c a l l t h e e x a m p l e o f a p a r t i c l e o n t h e l i n e . I n

t h e q u a n t u m t h e o r y o f a p a r t i c l e o n a l i n e , t h e p a r t i c l e ' s s t a t e i s g i v e n b y a

` w a v e f u n c t i o n ' , t h a t i s , a n L

2

f u n c t i o n o n t h e c o n g u r a t i o n s p a c e R . I f

w e a s s u m e i s n o r m a l i z e d s o t h a t k k = 1 , t h e p r o b a b i l i t y o f n d i n g t h e

p a r t i c l e i n a n y o p e n s u b s e t U R i s t h e n g i v e n b y

Z

U

j ( x ) j

2

d x :

N o w , c l a s s i c a l l y t h e H a m i l t o n i a n i s

H ( p ; q ) =

p

2

2 m

+ V ( q ) ;

a n d t o q u a n t i z e t h e p a r t i c l e o n e s i m p l y r e p l a c e s p a n d q i n t h i s f o r m u l a w i t h

c e r t a i n o p e r a t o r s ^ p ; ̂q o n L

2

( R ) :

( ̂ p ) ( x ) =

h

i

d

d x

( x ) ; ( ̂q ) ( x ) = x ( x ) ;

o b t a i n i n g a n o p e r a t o r

̂

H , t h e q u a n t u m H a m i l t o n i a n :

(

̂

H ) ( x ) = ?

h

2

2 m

d

2

d x

2

( x ) + V ( x ) ( x ) :

7



T h e H a m i l t o n i a n

̂

H t h e n d e s c r i b e s t h e e v o l u t i o n o f t h e w a v e f u n c t i o n i n t i m e

v i a S c h r o d i n g e r ' s e q u a t i o n :

i h

d

d t

=

̂

H :

T h i s r e c i p e f o r r e p l a c i n g p a n d q b y o p e r a t o r s ^ p a n d ^ q i s k n o w n a s ` c a n o n i -

c a l q u a n t i z a t i o n ' . I f w e t r y t o c o p y t h i s r e c i p e i n t h e c a s e o f g e n e r a l r e l a t i v i t y ,

w e q u i c k l y n o t i c e s o m e s e r i o u s p r o b l e m s . I n t h e c a s e o f t h e p a r t i c l e o n t h e

l i n e , t h e ` c o n g u r a t i o n s p a c e ' i n w h i c h q l i e s i s j u s t t h e r e a l l i n e , a n d w e c a n

d e n e L

2

( R ) u s i n g L e b e s g u e m e a s u r e . I n t h e c a s e o f g e n e r a l r e l a t i v i t y , t h e

c o n g u r a t i o n s p a c e i s t h e s p a c e M o f a l l R i e m a n n i a n m e t r i c s o n S . T h i s i s

a n i n n i t e - d i m e n s i o n a l m a n i f o l d , a n d t h e r e i s n o g o o d n o t i o n o f ` L e b e s g u e

m e a s u r e ' o n s u c h s p a c e s , s o d e n i n g t h e H i l b e r t s p a c e L

2

( M ) i s n o t s o e a s y .

O f c o u r s e , t h i s p r o b l e m w i l l a r i s e w h e n e v e r w e t r y t o c a n o n i c a l l y q u a n t i z e

a t h e o r y w i t h i n n i t e - d i m e n s i o n a l c o n g u r a t i o n s p a c e . T h u s i t o c c u r s , n o t

o n l y i n q u a n t u m g r a v i t y , b u t i n o t h e r q u a n t u m e l d t h e o r i e s . W h e n q u a n t i z -

i n g l i n e a r e q u a t i o n s , w h e r e t h e c o n g u r a t i o n s p a c e i s a n i n n i t e - d i m e n s i o n a l

v e c t o r s p a c e V , o n e c a n u s e a n i n n i t e - d i m e n s i o n a l a n a l o g o f a G a u s s i a n

m e a s u r e t o d e n e L

2

( V ) , a n d t h e r e s u l t i n g t h e o r i e s m a k e n e m a t h e m a t i c a l

s e n s e . T h i s s t r a t e g y i s n o t s u c i e n t b y i t s e l f t o d e a l w i t h n o n l i n e a r e q u a t i o n s

s u c h a s E i n s t e i n ' s e q u a t i o n , h o w e v e r . I n d e e d , M i s n o t e v e n a v e c t o r s p a c e .

A n o t h e r p r o b l e m i s t h a t u n l i k e t h e p a r t i c l e o n t h e l i n e , w h o s e p o s i t i o n a n d

v e l o c i t y a t a g i v e n t i m e a r e a r b i t r a r y , g e n e r a l r e l a t i v i t y i n v o l v e s c o n s t r a i n t s .

O n e s h o u l d t a k e t h e s e c o n s t r a i n t s i n t o a c c o u n t w h e n q u a n t i z i n g t h e t h e o r y ,

b u t t h e c o r r e c t w a y t o d o s o i s n o t a t a l l c l e a r ! I n d e e d , m u c h i n k h a s b e e n

s p i l l e d c o n c e r n i n g t h e q u a n t i z a t i o n o f c o n s t r a i n e d s y s t e m s , a n d w e c a n n o t

g o i n t o a l l t h e n u a n c e s o f t h i s i s s u e h e r e . I n s t e a d , l e t u s s i m p l y g i v e a n

o v e r s i m p l i e d a c c o u n t o f D i r a c ' s a p p r o a c h t o c o n s t r a i n t s 2 4 ] , a s a p p l i e d t o

g r a v i t y b y D e W i t t 2 3 ] i n t h e l a t e 1 9 6 0 s .

S u p p o s e w e c o u l d s o m e h o w g e t a h o l d o f a H i l b e r t s p a c e L

2

( M ) . T h e

i d e a i s t h a t n o t a l l v e c t o r s i n t h i s s o - c a l l e d ` k i n e m a t i c a l ' s t a t e s p a c e r e p r e s e n t

p h y s i c a l s t a t e s o f q u a n t u m g r a v i t y , b u t o n l y t h o s e s a t i s f y i n g c e r t a i n q u a n t u m

v e r s i o n s o f t h e c o n s t r a i n t s . T o d e s c r i b e t h e s e q u a n t i z e d c o n s t r a i n t s , r s t w e

t r y t o d e n e o p e r a t o r s ^ q

i j

a n d ^ p

i j

o n L

2

( M ) b y t h e f o r m u l a s

( ̂ p

i j

) ( q ) =

h

i

@

@ q

i j

( q ) ; ( ̂q

i j

) ( q ) = q

i j

( q ) ;

8



w h e r e q 2 M . T h e s e f o r m u l a s a r e m e r e l y h e u r i s t i c , a n d p a r t o f t h e p r o b l e m

i s m a k i n g g o o d e n o u g h s e n s e o f t h e m f o r t h e t a s k a t h a n d . F o r e x a m p l e , i n

a n a l o g y w i t h p

i j

a n d q

i j

i n t h e r s t p l a c e , ^ p

i j

a n d ^ q

i j

a r e r e a l l y s o m e t h i n g l i k e

o p e r a t o r - v a l u e d f u n c t i o n s o n t h e s u b s e t o f t h e s p a c e l i k e s l i c e c o n t a i n e d i n o u r

c o o r d i n a t e c h a r t . W h e n o n e t r i e s t o b e r i g o r o u s o n e d i s c o v e r s t h a t t h e y a r e

o p e r a t o r - v a l u e d d i s t r i b u t i o n s . A s n o t e d a b o v e , o n e c a n w o r k o u t f o r m u l a s

f o r t h e c o n s t r a i n t s H a n d H

i

i n t e r m s o f p

i j

a n d q

i j

. T h e i d e a i s t h e n t o t a k e

t h e s e f o r m u l a s , a n d r e p l a c e a l l a p p e a r a n c e s o f p

i j

a n d q

i j

i n t h e m b y ^ p

i j

a n d

̂q

i j

, o b t a i n i n g o p e r a t o r - v a l u e d d i s t r i b u t i o n s

̂

H a n d

̂

H

i

. F o r a w a v e f u n c t i o n

2 L

2

( M ) t o r e p r e s e n t a p h y s i c a l s t a t e o f q u a n t u m g r a v i t y , t h e f o l l o w i n g

q u a n t u m v e r s i o n s o f t h e c o n s t r a i n t e q u a t i o n s s h o u l d h o l d :

̂

H = 0 ;

̂

H

i

= 0 :

T h e r e a r e s o m e d e e p c o n c e p t u a l p r o b l e m s a s s o c i a t e d w i t h t h i s a p p r o a c h

t o q u a n t u m g r a v i t y . F o r e x a m p l e , i n s t e a d o f S c h r o d i n g e r ' s e q u a t i o n , i n w h i c h

t h e H a m i l t o n i a n d e s c r i b e s t h e t i m e e v o l u t i o n o f t h e w a v e f u n c t i o n , a l l w e

h a v e i s t h e s o - c a l l e d ` W h e e l e r - D e W i t t e q u a t i o n '

̂

H = 0 . W h a t d o e s t h i s

m e a n W h e r e h a s t h e d y n a m i c s o f q u a n t u m g r a v i t y g o n e , i f p h y s i c a l s t a t e s

a r e a n n i h i l a t e d b y t h e o p e r a t o r w h o s e c l a s s i c a l c o u n t e r p a r t g e n e r a t e s t i m e

e v o l u t i o n B r i e y , t h e a n s w e r a p p e a r s t o b e t h i s : t h e c o n s t r a i n t e q u a t i o n s

s a y t h a t o n l y d e s c r i b e s d i e o m o r p h i s m - i n v a r i a n t i n f o r m a t i o n a b o u t t h e

w o r l d . I n o t h e r w o r d s , w e c a n n o t u s e t o a n s w e r q u e s t i o n s a b o u t w h a t i s

h a p p e n i n g a t a c e r t a i n p o i n t w h o s e l o c a t i o n i s s p e c i e d u s i n g a c o o r d i n a t e

s y s t e m , s u c h a s ` w h a t i s t h e m e t r i c a t t h e p o i n t x

= a

' . U n f o r t u n a t e l y , w e

a r e n o t u s e d t o d o i n g p h y s i c s w i t h o u t a s k i n g s u c h q u e s t i o n s ! T h i s i s k n o w n

a s t h e ` p r o b l e m o f t i m e ' i n q u a n t u m g r a v i t y 3 3 ] .

J u s t a s b a d a s t h e c o n c e p t u a l p r o b l e m s a r e t h e s h e e r t e c h n i c a l p r o b l e m s

i n v o l v e d i n m a k i n g m a t h e m a t i c a l s e n s e o u t o f D e W i t t ' s s t r a t e g y f o r q u a n t i z -

i n g g r a v i t y . I n f a c t , n o b o d y h a s y e t s u c c e e d e d . I t i s w o r t h n o t i n g t h a t t h e r e

a r e o t h e r c o n s t r a i n e d n o n l i n e a r e q u a t i o n s w i t h i n n i t e - d i m e n s i o n a l c o n g -

u r a t i o n s p a c e s w h e r e m a n y o f t h e s a m e p r o b l e m s s h o w u p : f o r e x a m p l e ,

t h e Y a n g - M i l l s e q u a t i o n , v a r i o u s v e r s i o n s o f w h i c h a p p e a r t o d e s c r i b e a l l t h e

f o r c e s e x c e p t g r a v i t y . Q u a n t i z i n g t h e s e i n a r i g o r o u s w a y i s a l s o e x t r e m e l y d i f -

c u l t , b u t p h y s i c i s t s h a v e h a d m u c h m o r e s u c c e s s w i t h t h e m a t t h e p r a c t i c a l

l e v e l . L e t u s b r i e y s u m m a r i z e t h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e t w o c a s e s .

P h y s i c i s t s o f t e n q u a n t i z e n o n l i n e a r e l d t h e o r i e s b y t r e a t i n g t h e n o n -

l i n e a r i t i e s a s ` s m a l l p e r t u r b a t i o n s ' o f s o m e l i n e a r e q u a t i o n . T h e r e a r e a l s o

9



p e r t u r b a t i v e m e t h o d s f o r d e a l i n g w i t h c o n s t r a i n t s . T h e s e m e t h o d s c a n b e

p r o b l e m a t i c , m a t h e m a t i c a l l y s p e a k i n g , b u t u n l e s s a i c t e d b y a n u n u s u a l

d e s i r e f o r r i g o r , p h y s i c i s t s a r e o f t e n h a p p y t o d o p e r t u r b a t i o n t h e o r y u s i n g

f o r m a l p o w e r s e r i e s i n s o m e c o u p l i n g c o n s t a n t t h a t m e a s u r e s t h e n o n l i n e a r -

i t y . D u e t o t h e n o n r i g o r o u s n a t u r e o f t h e s e c o m p u t a t i o n s , t h e c o e c i e n t s

o f t h e s e p o w e r s e r i e s u s u a l l y c o m e o u t t o b e i l l - d e n e d u n l e s s o n e p e r f o r m s

s o m e c l e v e r m a n e u v e r s k n o w n a s r e n o r m a l i z a t i o n . O n e s a y s t h e t h e o r y i s

r e n o r m a l i z a b l e i f t h e s e m a n e u v e r s w o r k , b u t r e n o r m a l i z a b i l i t y b y i t s e l f d o e s

n o t m e a n t h a t t h e p o w e r s e r i e s a r e c o n v e r g e n t , o r e v e n a s y m p t o t i c . T h u s ,

s t r i c t l y s p e a k i n g , r e n o r m a l i z a b i l i t y i s n o t a s u c i e n t c o n d i t i o n f o r a n o n l i n -

e a r q u a n t u m e l d t h e o r y t o m a k e r i g o r o u s s e n s e . N o r , o n t h e o t h e r h a n d ,

i s r e n o r m a l i z a b i l i t y a n e c e s s a r y c o n d i t i o n t o b e a b l e t o q u a n t i z e a n o n l i n -

e a r w a v e e q u a t i o n , f o r t h e r e a r e a l s o o t h e r ` n o n p e r t u r b a t i v e ' a p p r o a c h e s . I n

p r a c t i c e , h o w e v e r , p a r t i c l e p h y s i c i s t s o f t e n r e s t r i c t t h e m s e l v e s t o r e n o r m a l -

i z a b l e t h e o r i e s , m a k e p h y s i c a l p r e d i c t i o n s u s i n g t h e r s t f e w t e r m s i n t h e

p o w e r s e r i e s , a n d c o m p a r e t h e s e p r e d i c t i o n s w i t h e x p e r i m e n t t o s e e i f t h e

t h e o r y i s o n t h e r i g h t t r a c k .

F o r t h e Y a n g - M i l l s e q u a t i o n , a n d i n d e e d f o r t h e w h o l e ` S t a n d a r d M o d e l '

o f p a r t i c l e s a n d f o r c e s o t h e r t h a n g r a v i t y , t h i s s t r a t e g y h a s b e e n q u i t e s u c -

c e s s f u l . B u t t h e s t r a t e g y f a i l s m i s e r a b l y w i t h q u a n t u m g r a v i t y , f o r t h e t h e o r y

r e s i s t s a l l a t t e m p t s a t r e n o r m a l i z a t i o n . A s i t t u r n s o u t , t h i s i s c l o s e l y r e l a t e d

t o t h e f a c t t h a t t h e c o n s t r a i n t s a r e n o t p o l y n o m i a l s i n t h e b a s i c ` p o s i t i o n '

a n d ` m o m e n t u m ' v a r i a b l e s , q

i j

a n d p

i j

, a n d t h e i r d e r i v a t i v e s . I n s t e a d , t h e y

c o n t a i n n a s t y f a c t o r s o f ( d e t q

i j

)

? 1 = 2

, e s s e n t i a l l y b e c a u s e t h e f o r m u l a f o r p

i j

c o n t a i n s a f a c t o r o f ( d e t q

i j

)

1 = 2

. S t a n d a r d m e t h o d s f o r r e p l a c i n g q

i j

w i t h t h e

o p e r a t o r ^ q

i j

l e a d t o a l l s o r t s o f p r o b l e m s w h e n a p p l i e d t o s u c h n o n - p o l y n o m i a l

e x p r e s s i o n s . ( S i m i l a r p r o b l e m s a r i s e i n t h e p a t h - i n t e g r a l a p p r o a c h w h i c h i s

m o r e c o m m o n l y u s e d i n r e n o r m a l i z a t i o n . ) T o o v e r c o m e t h e n o n r e n o r m a l i z -

a b i l i t y o f q u a n t u m g r a v i t y , p a r t i c l e p h y s i c i s t s c o n s t r u c t e d e v e r m o r e c o m -

p l i c a t e d m o d e l s c o n t a i n i n g g r a v i t y a n d o t h e r f o r c e s , i n o r d e r t o c a n c e l o u t

u n r u l y i n n i t i e s . T h i s l e d t o t h e s t u d y o f s u p e r g r a v i t y a n d e v e n t u a l l y s u p e r -

s t r i n g t h e o r y , w h i c h a t t e m p t s t o m o d e l a l l k n o w n f o r c e s a n d p a r t i c l e s , a n d

u n f o r t u n a t e l y m a n y u n k n o w n o n e s a s w e l l .

M e a n w h i l e , m a n y g e n e r a l r e l a t i v i s t s w e r e s u s p i c i o u s o f t h e w h o l e i d e a o f

p e r t u r b a t i v e l y q u a n t i z i n g g r a v i t y . T h i s a m o u n t s t o t r e a t i n g a l l m e t r i c s a s

s m a l l p e r t u r b a t i o n s o f a x e d ` b a c k g r o u n d m e t r i c ' , u s u a l l y t a k e n t o b e t h e

a t M i n k o w s k i m e t r i c o n R

4

. D i m e n s i o n a l a n a l y s i s , h o w e v e r , s u g g e s t s t h a t

1 0



o n e s h o u l d e x p e c t m o r e a n d m o r e e x t r e m e q u a n t u m u c t u a t i o n s o f t h e m e t r i c

a t s m a l l e r a n d s m a l l e r l e n g t h s c a l e s , b e c o m i n g v e r y s i g n i c a n t a t a b o u t t h e

P l a n c k l e n g t h . S o p e r h a p s o n e s h o u l d r e a l l y a d o p t s o m e n o n p e r t u r b a t i v e

a p p r o a c h t o c a n o n i c a l q u a n t u m g r a v i t y .

S a y i n g t h i s i s e a s y : t h e p r o b l e m i s a c t u a l l y d o i n g i t . I n p r i n c i p l e , t h e m o s t

d i r e c t w a y w o u l d b e t o m a k e D e W i t t ' s a p p r o a c h i n t o r i g o r o u s m a t h e m a t i c a l

p h y s i c s w i t h o u t r e f e r e n c e t o a x e d b a c k g r o u n d m e t r i c . B u t a t t e m p t i n g

t o d o t h i s l e d i m m e d i a t e l y i n t o a q u a g m i r e w h i c h f o r t w o d e c a d e s s e e m e d

i m p a s s a b l e . I t w a s n o t u n t i l t h e l a t e 1 9 8 0 s , w h e n A s h t e k a r 1 ] f o u n d a c l e v e r

c h a n g e o f v a r i a b l e s , t h a t a w a y a r o u n d b e g a n t o s e e m p o s s i b l e .

W e p o s t p o n e a d e t a i l e d d i s c u s s i o n o f t h e s e ` n e w v a r i a b l e s ' t o S e c t i o n 3 .

F o r n o w , l e t u s s i m p l y n o t e t h a t i n t e r m s o f t h e m , t h e c o n g u r a t i o n s p a c e

o f g e n e r a l r e l a t i v i t y s p a c e i s n o t t h e s p a c e o f m e t r i c s o n S , b u t t h e s p a c e o f

c o n n e c t i o n s o n s o m e S L ( 2 ; C ) b u n d l e o v e r S . S i n c e S L ( 2 ; C ) i s a c o m p l e x

L i e g r o u p , t h i s c o n g u r a t i o n s p a c e i s a c o m p l e x m a n i f o l d . I t t u r n s o u t t h a t

i n t h e q u a n t u m t h e o r y , k i n e m a t i c a l s t a t e s s h o u l d b e h o l o m o r p h i c f u n c t i o n s

o n t h i s c o n g u r a t i o n s p a c e . H o w e v e r , u s i n g t h e f a c t t h a t S L ( 2 ; C ) h a s S U ( 2 )

a s a r e a l f o r m , o n e e x p e c t s t h e k i n e m a t i c a l s t a t e s p a c e t o b e i s o m o r p h i c

t o L

2

( A ) , w h e r e A i s t h e s p a c e o f c o n n e c t i o n s o n a c e r t a i n S U ( 2 ) b u n d l e

o v e r S . T h u s , a t l e a s t n a i v e l y , o n e e x p e c t s t h e p h y s i c a l s t a t e s o f q u a n t u m

g r a v i t y i n t h e n e w v a r i a b l e s f o r m a l i s m t o b e w a v e f u n c t i o n s 2 L

2

( A ) a n -

n i h i l a t e d b y c e r t a i n c o n s t r a i n t s . T h e s e c o n s t r a i n t s i n c l u d e H a m i l t o n i a n a n d

d i e o m o r p h i s m c o n s t r a i n t s a s b e f o r e , w h i c h e x p r e s s t h e i n v a r i a n c e o f u n -

d e r d i e o m o r p h i s m s o f s p a c e t i m e , b u t a l s o a ` G a u s s l a w ' c o n s t r a i n t w h i c h

e x p r e s s e s t h e i n v a r i a n c e o f u n d e r g a u g e t r a n s f o r m a t i o n s .

N o w t h e c o n g u r a t i o n s p a c e o f t h e Y a n g - M i l l s e q u a t i o n i s a l s o a s p a c e o f

c o n n e c t i o n s , a n d t h e o n l y c o n s t r a i n t i n Y a n g - M i l l s t h e o r y i s t h e G a u s s l a w .

T h u s i n t e r m s o f t h e n e w v a r i a b l e s , c a n o n i c a l q u a n t u m g r a v i t y i s v e r y s i m i l a r

t o S U ( 2 ) Y a n g - M i l l s t h e o r y w i t h s o m e e x t r a c o n s t r a i n t s ! T h i s i s o n e o f t h e

m a i n a d v a n t a g e s o f t h e n e w v a r i a b l e s : t h e y a l l o w t e c h n i q u e s f r o m Y a n g - M i l l s

t h e o r y t o b e i m p o r t e d t o q u a n t u m g r a v i t y . A n o t h e r m o r e t e c h n i c a l a d v a n -

t a g e i s t h a t i n t h e n e w v a r i a b l e s , t h e c o n s t r a i n t s a r e p o l y n o m i a l f u n c t i o n s o f

t h e a n a l o g s o f p o s i t i o n a n d m o m e n t u m ( a n d t h e i r d e r i v a t i v e s ) . B e c a u s e t h e

n o n r e n o r m a l i z a b i l i t y o f q u a n t u m g r a v i t y i n t h e t r a d i t i o n a l m e t r i c f o r m u l a -

t i o n w a s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e n o n - p o l y n o m i a l n a t u r e o f t h e c o n s t r a i n t s , t h i s

c r e a t e d a l o t o f e x c i t e m e n t . U n f o r t u n a t e l y , a t t h e p r e s e n t t i m e t h e H a m i l t o -

n i a n c o n s t r a i n t s t i l l p r e s e n t s t h o r n y p r o b l e m s .

1 1



S h o r t l y a f t e r t h e d i s c o v e r y o f t h e n e w v a r i a b l e s , R o v e l l i a n d S m o l i n 4 5 ]

u s e d t h e m t o d e v e l o p a ` l o o p r e p r e s e n t a t i o n ' o f q u a n t u m g r a v i t y , a n d t h i s

i s w h e n t h e r e l a t i o n s h i p t o k n o t t h e o r y b e c a m e v e r y a p p a r e n t . T h e i d e a o f

t h e l o o p r e p r e s e n t a t i o n o f a g a u g e t h e o r y h a d b e e n d e v e l o p e d b y G a m b i n i

a n d T r i a s 3 1 ] , a n d b a s i c a l l y i t c o n s i s t s o f w r i t i n g a l l t h e e q u a t i o n s o n e c a n

i n t e r m s o f ` W i l s o n l o o p s ' . W i l s o n l o o p s a r e c e r t a i n f u n c t i o n s o n t h e s p a c e

o f c o n n e c t i o n s : a t a p o i n t A 2 A , t h e v a l u e o f t h e W i l s o n l o o p i s j u s t t h e

t r a c e o f t h e h o l o n o m y o f A a r o u n d s o m e l o o p i n S , t a k e n i n s o m e ( n i t e -

d i m e n s i o n a l ) r e p r e s e n t a t i o n o f G , w r i t t e n :

t r ( ( T e x p

Z

A ) ) :

O n e r e a s o n w h y p h y s i c i s t s l i k e t h e m i s t h a t t h e y a r e i n v a r i a n t u n d e r g a u g e

t r a n s f o r m a t i o n s , a n d o n e e x p e c t s t h e p h y s i c a l l y o b s e r v a b l e a s p e c t s o f a g a u g e

t h e o r y t o b e g a u g e - i n v a r i a n t .

R o v e l l i a n d S m o l i n a r g u e d t h a t a s t a t e o f q u a n t u m g r a v i t y s h o u l d g i v e

r i s e t o l i n k i n v a r i a n t

̂

, t h e ` l o o p t r a n s f o r m ' o f , w h o s e v a l u e o n t h e l i n k

w i t h c o m p o n e n t s g i v e n b y t h e l o o p s

1

; : : : ;

n

i s

̂

(

1

; : : : ;

n

) =

Z

A

n

Y

i = 1

t r ( ( ( T e x p

Z

i

A ) ) ( A ) D A ;

w h e r e i s t h e f u n d a m e n t a l r e p r e s e n t a t i o n a n d D A i s t h e p u r e l y f o r m a l

` L e b e s g u e m e a s u r e ' o n A . T h e r e a s o n

̂

s h o u l d b e a l i n k i n v a r i a n t i s t h a t

t h e d i e o m o r p h i s m c o n s t r a i n t s a y s i s i n v a r i a n t u n d e r d i e o m o r p h i s m s o f

S ! O f c o u r s e , t h i s a r g u m e n t i s m e r e l y h e u r i s t i c , o w i n g t o t h e m y s t e r i o u s

n a t u r e o f D A , b u t i t i s n o w o r s e t h a n m u c h o f t h e r e a s o n i n g i n q u a n t u m

g r a v i t y . I n d e e d , a s i m i l a r s o r t o f a r g u m e n t l e d W i t t e n 4 8 ] t o d i s c o v e r t h e r e -

l a t i o n b e t w e e n k n o t t h e o r y a n d a n o t h e r q u a n t u m e l d t h e o r y , C h e r n - S i m o n s

t h e o r y . I n f a c t , t h e l i n k i n v a r i a n t c o m i n g f r o m S U ( 2 ) C h e r n - S i m o n s t h e o r y ,

n a m e l y t h e K a u m a n b r a c k e t , a p p e a r s t o b e t h e l o o p t r a n s f o r m o f a s t a t e

o f q u a n t u m g r a v i t y ` w i t h c o s m o l o g i c a l c o n s t a n t ' , m e a n i n g t h a t t h e E i n s t e i n

e q u a t i o n h a s b e e n m o d i e d t o g i v e t h e v a c u u m a n o n z e r o s t r e s s - e n e r g y t e n -

s o r . W e w i l l n o t g o i n t o t h i s h e r e , s i n c e t h e r e a r e a n u m b e r o f e x p o s i t o r y

t r e a t m e n t s a l r e a d y 1 1 , 1 2 , 1 4 , 1 8 , 4 1 ] , b u t c e r t a i n l y i t i s o n e o f t h e m a i n

r e a s o n s f o r i n t e r e s t i n t h e i n t e r f a c e b e t w e e n k n o t s a n d q u a n t u m g r a v i t y .

T h e r e i s m u c h h e r e t h a t n e e d s t o b e m a d e m o r e p r e c i s e i n t h e f o l l o w i n g

s e c t i o n s . H o w e v e r , w e a r e a t l e a s t i n a p o s i t i o n n o w t o d e s c r i b e w h a t n e e d s

1 2



t o b e d o n e . F i r s t , w e n e e d t o d e v e l o p i n t e g r a t i o n t h e o r y o n A , i n o r d e r

t o e s c a p e t h e u s e o f p u r e l y f o r m a l e n t i t i e s l i k e t h e ` L e b e s g u e m e a s u r e ' D A .

I n S e c t i o n 2 w e d o t h i s w h e n A i s t h e s p a c e o f s m o o t h c o n n e c t i o n s o n a n y

p r i n c i p a l G - b u n d l e P o v e r a m a n i f o l d S , w h e r e G i s a c o m p a c t c o n n e c t e d L i e

g r o u p a n d S i s r e a l - a n a l y t i c . T h e r e i s a n e s p e c i a l l y n i c e ` g e n e r a l i z e d m e a s u r e '

o n A w h i c h i s a s u b s t i t u t e f o r t h e n o n e x i s t e n t L e b e s g u e m e a s u r e . U s i n g i t

w e c a n d e n e L

2

( A ) , a n d i t t u r n s o u t t h a t t h e g a u g e - i n v a r i a n t s u b s p a c e o f

L

2

( A ) i s s p a n n e d b y ` s p i n n e t w o r k s t a t e s ' . T h e s e a r e d e s c r i b e d b y g r a p h s

a n a l y t i c a l l y e m b e d d e d i n S , w i t h o r i e n t e d e d g e s l a b e l l e d b y r e p r e s e n t a t i o n s

o f G , a n d w i t h v e r t i c e s l a b e l l e d b y i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r s f r o m t h e t e n s o r

p r o d u c t o f r e p r e s e n t a t i o n s l a b e l l i n g ` i n c o m i n g ' e d g e s t o t h e t e n s o r p r o d u c t o f

r e p r e s e n t a t i o n s l a b e l l i n g ` o u t g o i n g ' e d g e s . E q u i p p e d w i t h t h i s m a t h e m a t i c a l

t e c h n o l o g y , w e t h e n r e t u r n t o q u a n t u m g r a v i t y .

2 S p i n N e t w o r k s

I n q u a n t u m e l d t h e o r y c o m p u t a t i o n s , p h y s i c i s t s o f t e n t r y t o d o i n t e g r a l s

o v e r a s p a c e A o f c o n n e c t i o n s u s i n g a s t r a n g e t h i n g t h e y c a l l ` L e b e s g u e

m e a s u r e ' o n A , u s u a l l y w r i t t e n D A . T h i s e x p l o i t s t h e f a c t t h a t A i s a n a n e

s p a c e , o r , a r b i t r a r i l y c h o o s i n g o n e p o i n t a s t h e o r i g i n , a v e c t o r s p a c e . T h e

i d e a i s t h a t o n e s h o u l d b e a b l e t o p i c k a b a s i s f o r A , t h u s s e t t i n g u p a n

i s o m o r p h i s m

A

=

R

1

;

a n d t h e n , w o r k i n g i n t h e c o o r d i n a t e s d e n e d b y t h i s b a s i s , l e t

D A =

1

Y

i = 1

d x

i

:

T h e r e a r e m a n y p r o b l e m s w i t h t h i s i d e a , h o w e v e r ! F i r s t , w h i l e A c a n i n d e e d

b e i d e n t i e d w i t h a n i n n i t e - d i m e n s i o n a l v e c t o r s p a c e , a b a s i s o f A d o e s n o t

r e a l l y g i v e a n i s o m o r p h i s m b e t w e e n A a n d a n i n n i t e p r o d u c t o f c o p i e s o f

R . S e c o n d , t h e r e i s n o g o o d t h e o r y o f i n n i t e p r o d u c t s o f a r b i t r a r y m e a s u r e

s p a c e s . O f c o u r s e o n e c a n b e m o r e s o p h i s t i c a t e d a b o u t t h e s e i s s u e s , b u t t h e

f a c t r e m a i n s t h a t t h e r e i s n o s u c h t h i n g a s ` L e b e s g u e m e a s u r e ' o n a n i n n i t e -

d i m e n s i o n a l v e c t o r s p a c e . T h u s i t i s n o t s u r p r i s i n g t h a t w h e n p h y s i c i s t s

a c t u a l l y d o i n t e g r a l s o v e r A u s i n g ` L e b e s g u e m e a s u r e ' t h e y o f t e n g e t i n n i t e

o r i l l - d e n e d a n s w e r s u n t i l t h e y p e r f o r m v a r i o u s s n e a k y t r i c k s .

1 3



O n t h e o t h e r h a n d , t h e r e i s a d i e r e n t w a y o f d o i n g t h e s e i n t e g r a l s w h i c h

i s u s e d i n l a t t i c e g a u g e t h e o r y . L a t t i c e g a u g e t h e o r y i s a n a p p r o x i m a t i o n

t o g a u g e t h e o r y o n R

n

i n w h i c h o n e r e p l a c e s t h e c o n t i n u u m b y a n i n n i t e

g r a p h h a v i n g t h e p o i n t s o f a l a t t i c e a s v e r t i c e s a n d t h e l i n e s e g m e n t s b e t w e e n

n e i g h b o r i n g v e r t i c e s a s e d g e s . A ` c o n n e c t i o n ' o n t h e l a t t i c e i s s i m p l y a n

a s s i g m e n t o f a n e l e m e n t g

e

o f t h e g a u g e g r o u p G t o e a c h e d g e e o f t h e g r a p h ,

r e p r e s e n t i n g t h e e e c t o f p a r a l l e l t r a n s p o r t a l o n g e . T h e s p a c e o f c o n n e c t i o n s

i n t h i s c o n t e x t i s t h u s v e r y d i e r e n t : i t i s

A

=

G

1

;

n o t a n i n n i t e p r o d u c t o f c o p i e s o f R , b u t a n i n n i t e p r o d u c t o f c o p i e s o f

G ! N o w , w h i l e a n i n n i t e p r o d u c t o f a r b i t r a r y m e a s u r e s p a c e s i s i l l - d e n e d ,

a n i n n i t e p r o d u c t o f p r o b a b i l i t y m e a s u r e s p a c e s i s w e l l - d e n e d . ( R e c a l l t h a t

a p r o b a b i l i t y m e a s u r e s p a c e i s a s p a c e X w i t h p o s i t i v e m e a s u r e s u c h t h a t

R

X

= 1 . ) I f G i s c o m p a c t , i t i s e q u i p p e d w i t h a v e r y n a t u r a l p r o b a b i l i t y

m e a s u r e , n a m e l y H a a r m e a s u r e , t h e u n i q u e l e f t - a n d r i g h t - i n v a r i a n t B o r e l

m e a s u r e d g w i t h

R

G

d g = 1 . S o i n l a t t i c e g a u g e t h e o r y w i t h c o m p a c t g a u g e

g r o u p , o n e c a n w o r k w i t h t h e m e a s u r e

D A =

Y

e

d g

e

o n A , i n s t e a d o f t h e n o n e x i s t e n t ` L e b e s g u e m e a s u r e ' . T h i s i s p r e c i s e l y w h a t

i s d o n e .

N o w , w h i l e l a t t i c e g a u g e t h e o r y i s e a s i e r t o m a k e r i g o r o u s , i t h a s t h e

d i s a d v a n t a g e o f b e i n g o n l y a n a p p r o x i m a t i o n t o t h e c o n t i n u u m t h e o r i e s w e

a r e r e a l l y i n t e r e s t e d i n . I n d e e d , i n p r a c t i c e m u c h w o r k i n l a t t i c e g a u g e t h e o r y

i s c o m p u t a t i o n a l i n n a t u r e . H e r e o n e u s e s n o t a l a t t i c e b u t a n i t e g r a p h , s o

t h a t A b e c o m e s a n i t e p r o d u c t o f c o p i e s o f G , a n d o n e n u m e r i c a l l y c a l c u l a t e s

i n t e g r a l s o v e r A b y M o n t e C a r l o m e t h o d s . T o a p p l y t h e s e r e s u l t s t o g a u g e

t h e o r y o n R

n

o n e m u s t t h e n i n v e s t i g a t e n o t o n l y t h e ` c o n t i n u u m l i m i t ' i n

w h i c h t h e l a t t i c e s p a c i n g g o e s t o z e r o , b u t a l s o t h e ` l a r g e - v o l u m e l i m i t ' .

A p p r o x i m a t i n g t h e c o n t i n u u m b y a l a t t i c e o r a x e d n i t e g r a p h i s p a r -

t i c u l a r l y d i s t r e s s i n g i n t h e c a s e o f g e n e r a l r e l a t i v i t y , w h i c h i s s o i n t i m a t e l y

c o n n e c t e d t o t h e d i e r e n t i a l g e o m e t r y o f m a n i f o l d s . I t w o u l d b e n i c e i f o n e

c o u l d h a v e o n e s c a k e a n d e a t i t t o o , w o r k i n g w i t h c o n n e c t i o n s i n t h e c o n t i n -

u u m c o n t e x t a n d p r e s e r v i n g d i e o m o r p h i s m - i n v a r i a n c e , b u t s t i l l t h i n k i n g o f

1 4



t h e s p a c e o f c o n n e c t i o n s a s s o m e t h i n g l i k e a p r o d u c t o f c o p i e s o f G . T h i s i s

p r e c i s e l y w h a t t h e t h e o r y o f ` g e n e r a l i z e d m e a s u r e s ' o n t h e s p a c e o f c o n n e c -

t i o n s s e e k s t o a c h i e v e .

T h e t r a d i t i o n a l a p p r o a c h t o m e a s u r e t h e o r y i s t o p i c k a - a l g e b r a o f

` m e a s u r a b l e ' s u b s e t s o f s o m e s p a c e X , a s s i g n m e a s u r e s t o t h e m i n a m a n -

n e r s a t i s f y i n g s o m e a x i o m s , a n d t h e n d e n e a v e c t o r s p a c e o f ` i n t e g r a b l e '

c o m p l e x - v a l u e d f u n c t i o n s o n X . T h e n o n e g u r e s o u t h o w t o i n t e g r a t e f u n c -

t i o n s i n t h i s s p a c e , s h o w s t h a t i n t e g r a t i o n i s l i n e a r , a n d s h o w s h o w t o p a s s

l i m i t s t h r o u g h i n t e g r a l s u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s . T h e n , t y p i c a l l y , o n e f o r g e t s

t h e p r o o f s o f t h e s e r e s u l t s a n d s i m p l y u s e s t h e m . A m o r e m o d e r n a p p r o a c h

i s t o s h o r t c u t t h i s p r o c e s s a n d s i m p l y c h o o s e a s p a c e F u n ( X ) o f f u n c t i o n s o n

X , e q u i p i t w i t h a t o p o l o g y , a n d d e n e a ` g e n e r a l i z e d m e a s u r e ' o n X t o b e

a c o n t i n u o u s l i n e a r f u n c t i o n a l

: F u n ( X ) ! C ;

w r i t i n g ( f ) a s

R

X

f d s o l e l y o u t o f d e f e r e n c e t o t r a d i t i o n . A c t u a l l y , o f

c o u r s e , t h e m o d e r n a p p r o a c h c o m p l e m e n t s t h e o l d a p p r o a c h r a t h e r t h a n

r e p l a c e s i t ; t h e y a r e r e l a t e d b y m a n y u s e f u l t h e o r e m s , s o m e o f w h i c h w e h a v e

s u m m a r i z e d e l s e w h e r e 9 ] .

N o w s u p p o s e t h a t P i s a p r i n c i p a l G - b u n d l e o v e r S , w h e r e G i s c o m p a c t

a n d c o n n e c t e d , a n d l e t A b e t h e s p a c e o f s m o o t h c o n n e c t i o n s o n P . T o d e n e

g e n e r a l i z e d m e a s u r e s o n A w e n e e d t o c h o o s e t h e s p a c e F u n ( A ) o f f u n c t i o n s

w e w a n t t o i n t e g r a t e . F o l l o w i n g t h e i d e a o f t h e l o o p r e p r e s e n t a t i o n , f o r e x a m -

p l e , w e c o u l d c h o o s e F u n ( A ) t o b e t h e a l g e b r a o f f u n c t i o n s o n A g e n e r a t e d

b y a l l W i l s o n l o o p s , o r a c o m p l e t i o n o f t h i s a l g e b r a i n s o m e t o p o l o g y . I n

f a c t , t h i s i s h o w A s h t e k a r a n d I s h a m 5 ] p r o c e e d e d i n t h e i r o r i g i n a l a t t e m p t

t o u s e i d e a s f r o m t h e l o o p r e p r e s e n t a t i o n t o s e t u p a r i g o r o u s i n t e g r a t i o n

t h e o r y o n A . S u b s e q u e n t w o r k b y A s h t e k a r , L e w a n d o w s k i , a n d t h e a u t h o r

6 , 7 , 9 , 1 0 , 3 7 ] i m p r o v e d t h i n g s i n a n u m b e r o f w a y s . F o r o n e , i t t u r n s o u t t o

b e s i m p l e r t o l e t F u n ( A ) c o n t a i n a r b i t r a r y c o n t i n u o u s f u n c t i o n s o f t h e h o l o n -

o m y o f A a l o n g p a t h s i n S . A l s o , w o r k i n g w i t h s m o o t h p a t h s t u r n s o u t t o

b e a n u i s a n c e , b e c a u s e t h e y c a n i n t e r s e c t e a c h o t h e r i n h o r r i b l y c o m p l i c a t e d

w a y s . F o r t h i s r e a s o n w e s h a l l f o l l o w A s h t e k a r a n d L e w a n d o w s k i a n d r e q u i r e

S t o b e a r e a l - a n a l y t i c m a n i f o l d , a n d w o r k w i t h p i e c e w i s e r e a l - a n a l y t i c p a t h s .

I n a s e n s e t h i s i s n o t s o d r a s t i c , b e c a u s e e v e r y c o m p a c t s m o o t h m a n i f o l d c a n

b e g i v e n a r e a l - a n a l y t i c s t r u c t u r e . O n e p a y s a p r i c e , h o w e v e r , s i n c e o n e i s

1 5



n o l o n g e r d o i n g d i e r e n t i a l g e o m e t r y i n t h e c a t e g o r y o f s m o o t h m a n i f o l d s .

E v e n t u a l l y i t w o u l d b e n i c e t o u n d e r s t a n d t h e s m o o t h c a s e t o o .

I n a n y e v e n t , l e t u s d e n e F u n ( A ) a s f o l l o w s . I f : 0 ; 1 ] ! S i s a p i e c e w i s e

a n a l y t i c p a t h , l e t A

d e n o t e t h e s p a c e o f s m o o t h m a p s F : P

( 0 )

! P

( 1 )

t h a t

a r e c o m p a t i b l e w i t h t h e r i g h t a c t i o n o f G o n P :

F ( x g ) = F ( x ) g :

N o t e t h a t f o r a n y c o n n e c t i o n A 2 A , t h e p a r a l l e l t r a n s p o r t m a p

T e x p

Z

A : P

( 0 )

! P

( 1 )

l i e s i n A

. I f w e x a t r i v i a l i z a t i o n o f P a t t h e e n d p o i n t s o f , w e c a n i d e n t i f y

A

w i t h t h e g r o u p G . T h i s m a k e s A

i n t o a c o m p a c t m a n i f o l d i n a m a n n e r

w h i c h o n e c a n c h e c k i s i n d e p e n d e n t o f t h e t r i v i a l i z a t i o n . L e t F u n

0

( A ) b e t h e

a l g e b r a o f f u n c t i o n s o n A g e n e r a t e d b y t h o s e o f t h e f o r m

( A ) = f ( T e x p

Z

1

A ; : : : ; T e x p

Z

n

A ) ( 1 )

w h e r e

1

; : : : ;

n

a r e p i e c e w i s e a n a l y t i c p a t h s i n S , a n d f i s a c o n t i n u o u s

f u n c t i o n o n A

1

A

n

. T h e n l e t F u n ( A ) b e t h e c o m p l e t i o n o f F u n

0

( A )

i n t h e s u p n o r m :

k k

1

= s u p

A 2 A

j ( A ) j :

I t i s e a s y t o c h e c k t h a t t h e W i l s o n l o o p s l i e i n t h i s a l g e b r a ; i n f a c t , t h e y l i e

i n F u n

0

( A ) .

A g e n e r a l i z e d m e a s u r e o n A i s t h e n d e n e d t o b e a c o n t i n u o u s l i n e a r

f u n c t i o n a l o n F u n ( A ) . T h i s m a y s e e m r a t h e r a b s t r a c t , s o l e t u s s e e h o w t o

g e t o u r h a n d s o n o n e . T h e r e e x i s t s a n i c e g e n e r a l r e c i p e f o r c o n s t r u c t i n g a n y

g e n e r a l i z e d m e a s u r e o n A , w h i c h w e h a v e d e s c r i b e d e l s e w h e r e 1 0 , 1 2 ] , b u t

f o r n o w l e t u s c o n c e n t r a t e o n a s i m p l e a n d i m p o r t a n t e x a m p l e : t h e u n i f o r m

g e n e r a l i z e d m e a s u r e

u

. T h i s i s a k i n d o f r e p l a c e m e n t f o r t h e n o n e x i s t e n t

` L e b e s g u e m e a s u r e ' o n A , a n d a s w e s h a l l s e e , i t i s c l o s e l y m o d e l l e d a f t e r t h e

m e a s u r e D A i n l a t t i c e g a u g e t h e o r y .

T o d e n e

u

, r s t w e d e n e i t a s a l i n e a r f u n c t i o n a l o n F u n

0

( A ) . B e c a u s e

w e a r e w o r k i n g w i t h r e a l - a n a l y t i c p a t h s , i t t u r n s o u t t h a t a n y 2 F u n

0

( A )

c a n b e w r i t t e n i n t h e f o r m g i v e n b y e q u a t i o n ( 1 ) w i t h t h e p a t h s f

i

g f o r m i n g

1 6



a n e m b e d d e d g r a p h i n S . B y t h i s w e m e a n t h a t e a c h p a t h

i

: 0 ; 1 ] ! S i s

o n e - t o - o n e a n d r e s t r i c t s t o a n e m b e d d i n g o f ( 0 ; 1 ) , a n d t h e i m a g e s

i

0 ; 1 ] a n d

j

0 ; 1 ] i n t e r s e c t , i f a t a l l , o n l y a t t h e i r e n d p o i n t s w h e n i 6= j . F o r f u n c t i o n s

w r i t t e n i n t h i s s p e c i a l f o r m w e d e n e

Z

A

d

u

=

Z

G

n

f ( g

1

; : : : ; g

n

) d g

1

d g

n

:

H e r e w e a r e u s i n g t r i v i a l i z a t i o n s o f P a t t h e e n d p o i n t s o f t h e p a t h s

i

t o

i d e n t i f y A

1

A

n

w i t h G

n

, b u t t h e r i g h t - h a n d s i d e i s i n d e p e n d e n t o f

t h e c h o i c e o f t r i v i a l i z a t i o n s , b e c a u s e H a a r m e a s u r e i s r i g h t - a n d l e f t - i n v a r i a n t .

A l l t h e r e a l w o r k g o e s i n t o c h e c k i n g t h a t t h e r i g h t - h a n d s i d e d o e s n o t d e p e n d

o n h o w w e w r o t e i n t h i s s p e c i a l f o r m i n v o l v i n g a n e m b e d d e d g r a p h . G i v e n

t h a t , i t i s e a s y t o c h e c k t h a t

u

i s a l i n e a r f u n c t i o n a l o n F u n

0

( A ) . T h e b o u n d

j

Z

A

d

u

j k k

1

t h e n h o l d s b e c a u s e H a a r m e a s u r e i s a p r o b a b i l i t y m e a s u r e . S i n c e F u n

0

( A ) i s

d e n s e i n F u n ( A ) , t h i s b o u n d i m p l i e s t h a t

u

e x t e n d s u n i q u e l y t o a c o n t i n u o u s

l i n e a r f u n c t i o n a l o n a l l o f F u n ( A ) , w h i c h w e a g a i n c a l l

u

. T h i s i s t h e u n i f o r m

g e n e r a l i z e d m e a s u r e o n t h e s p a c e o f c o n n e c t i o n s !

I f w e e x a m i n e w h a t w e h a v e j u s t d o n e , t h e r e l a t i o n s h i p t o l a t t i c e g a u g e

t h e o r y s h o u l d b e c o m e c l e a r . I n s t e a d o f w o r k i n g w i t h a x e d g r a p h e m b e d d e d

i n S a s o n e d o e s i n l a t t i c e g a u g e t h e o r y , w e h a v e c o n s i d e r e d a l l p o s s i b l e

e m b e d d e d g r a p h s = f

i

g i n S . E a c h o n e o f t h e s e i n d e e d h a s t h e t o p o l o g y

o f a g r a p h w i t h t h e p a t h s

i

a s e d g e s a n d t h e e n d p o i n t s

i

( 0 ) ;

i

( 1 ) a s v e r t i c e s .

F o l l o w i n g t h e s p i r i t o f l a t t i c e g a u g e t h e o r y , w e c a n d e n e a n i t e - d i m e n s i o n a l

s p a c e o f ` c o n n e c t i o n s ' o n ,

A

= A

1

A

n

;

o n w h i c h t h e r e i s a n a t u r a l m e a s u r e , n a m e l y a p r o d u c t o f c o p i e s o f H a a r

m e a s u r e , o n e c o p y f o r e a c h e d g e o f . T o d o t h e i n t e g r a l o f a f u n c t i o n t h a t

o n l y d e p e n d s o n t h e h o l o n o m i e s a l o n g t h e e d g e s o f , w e s i m p l y u s e t h i s

n a t u r a l m e a s u r e . T h e k e y f a c t i s t h a t a l t h o u g h a f u n c t i o n 2 F u n

0

( A ) c a n

b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f m a n y d i e r e n t e m b e d d e d g r a p h s i n t h i s w a y | a f t e r

a l l , i f i t c a n b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f a g r a p h , i t c a n a l s o b e e x p r e s s e d i n

t e r m s o f a n y g r a p h

0

c o n t a i n i n g | t h e a n s w e r w e g e t f o r t h e i n t e g r a l o f

1 7



i s i n d e p e n d e n t o f t h i s c h o i c e . T h i s i s w h y w e o b t a i n a w e l l - d e n e d l i n e a r

f u n c t i o n a l

u

o n F u n

0

( A ) , w h i c h t h e n e x t e n d s t o a l l o f F u n ( A ) . I n s h o r t , w e

a r e g e t t i n g a g e n e r a l i z e d m e a s u r e o n A a s a k i n d o f ` l i m i t ' o f m e a s u r e s o n

t h e s p a c e s o f c o n n e c t i o n s o n a l l g r a p h s e m b e d d e d i n S ! T h i s c a n b e m a d e

p e r f e c t l y p r e c i s e u s i n g t h e l a n g u a g e o f p r o j e c t i v e l i m i t s 7 ] .

W e c a n n o w d e n e t h e H i l b e r t s p a c e L

2

( A ) a s t h e c o m p l e t i o n o f F u n ( A )

w i t h r e s p e c t t o t h e n o r m

k k

2

= (

Z

A

j j

2

d

u

)

1 = 2

:

I n t h e s p e c i a l c a s e w h e r e G = S U ( 2 ) a n d S i s a c o m p a c t o r i e n t e d 3 - m a n i f o l d ,

t h i s H i l b e r t s p a c e w i l l b e o u r s p a c e o f ` k i n e m a t i c a l s t a t e s ' f o r q u a n t u m g r a v i t y

i n t h e n e w v a r i a b l e s f o r m a l i s m . T h e G a u s s l a w c o n s t r a i n t t h e n a m o u n t s t o

r e q u i r i n g t h a t t h e s t a t e 2 L

2

( A ) b e i n v a r i a n t u n d e r g a u g e t r a n s f o r m a t i o n s ,

s o i t i s i m p o r t a n t t o n d g a u g e - i n v a r i a n t v e c t o r s i n L

2

( A ) . F i n d i n g t h e s e

v e c t o r s i s a c t u a l l y o f i n t e r e s t n o m a t t e r w h a t G a n d S h a p p e n t o b e . I t

t u r n s o u t t h a t t h e s e v e c t o r s c a n a l s o b e t h o u g h t o f a s w a v e f u n c t i o n s o n t h e

q u o t i e n t o f A b y t h e g r o u p G o f s m o o t h g a u g e t r a n s f o r m a t i o n s 1 2 ] , s o w e

w i l l d e n o t e t h e s p a c e o f g a u g e - i n v a r i a n t v e c t o r s i n L

2

( A ) b y L

2

( A = G ) .

T h e m o s t o b v i o u s e x a m p l e s o f v e c t o r s i n L

2

( A = G ) a r e t h e W i l s o n l o o p s .

I f w e h a v e a n a n a l y t i c l o o p i n S a n d a r e p r e s e n t a t i o n o f G , t h e f u n c t i o n

( A ) = t r ( ( T e x p

Z

A ) )

i s g a u g e - i n v a r i a n t , a n d i t l i e s i n L

2

( A ) . M o r e g e n e r a l l y , a n y p r o d u c t o f

W i l s o n l o o p s i s a g a u g e - i n v a r i a n t e l e m e n t o f L

2

( A ) .

M o r e g e n e r a l l y s t i l l , w e c a n g e t v e c t o r s i n L

2

( A = G ) f r o m ` s p i n n e t w o r k s '

1 3 ] . T a k e a g r a p h e m b e d d e d i n S a n d l a b e l e a c h o f i t s e d g e s e w i t h a

r e p r e s e n t a t i o n

e

o f G . L e t

H

e

( A ) =

e

( T e x p

Z

e

A ) :

I f w e t r i v i a l i z e P a t t h e v e r t i c e s o f , a n d p i c k a b a s i s f o r

e

, w e c a n t h i n k o f

H

e

( A ) a s a m a t r i x H

e

( A )

i

j

. N o w f o r m t h e t e n s o r p r o d u c t o f a l l t h e s e m a t r i c e s ,

o n e f o r e a c h e d g e o f . W e g e t a b i g t e n s o r H ( A ) h a v i n g o n e s u p e r s c r i p t a n d

o n e s u b s c r i p t f o r e a c h e d g e ; i t i s t o o u g l y t o b o t h e r w r i t i n g d o w n , b u t w e

h o p e t h e r e a d e r g e t s t h e i d e a .

1 8



N e x t , f o r e a c h v e r t e x v o f l e t S ( v ) b e t h e s e t o f e d g e s h a v i n g v a s

` s o u r c e ' | w h e r e t h e s o u r c e o f a n e d g e

i

i s d e n e d t o b e

i

( 0 ) | a n d l e t

T ( v ) b e t h e s e t o f e d g e s h a v i n g v a s ` t a r g e t ' | w h e r e t h e t a r g e t o f

i

i s

i

( 1 ) .

F o r e a c h v e r t e x v , p i c k a n i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r

I

v

:

O

e 2 T ( v )

e

!

O

e 2 S ( v )

e

:

W e c a n t h i n k o f I

v

a s a t e n s o r w i t h o n e s u p e r s c r i p t f o r e a c h e d g e e 2 T ( v )

a n d o n e s u b s c r i p t f o r e a c h e d g e e 2 S ( v ) . T h e n f o r m t h e t e n s o r p r o d u c t o f a l l

t h e s e t e n s o r s I

v

, o n e f o r e a c h v e r t e x . W e g e t a b i g t e n s o r I . T h e n f o r m t h e

t e n s o r p r o d u c t H ( A ) I . N o t e t h a t e a c h s u p e r s c r i p t o f H ( A ) c o r r e s p o n d s

t o a p a r t i c u l a r s u b s c r i p t o f I a n d v i c e v e r s a , b e c a u s e e a c h e d g e o f l i e s i n

S ( v ) f o r o n e v e r t e x v a n d l i e s i n T ( w ) f o r o n e v e r t e x w . S o w e c a n c o n t r a c t

t h e t e n s o r H ( A ) I t o g e t a n u m b e r , w h i c h o f c o u r s e d e p e n d s o n A . T h i s i s

o u r ` s p i n n e t w o r k s t a t e ' ( A ) . N o t e t h a t a W i l s o n l o o p i s j u s t a s p e c i a l c a s e

o f a s p i n n e t w o r k w i t h o n l y o n e e d g e a n d o n e v e r t e x , w i t h t h e i n t e r t w i n i n g

o p e r a t o r t a k e n t o b e t h e i d e n t i t y o p e r a t o r .

O n e c a n s h o w d i r e c t l y f r o m t h i s e x p l i c i t d e n i t i o n t h a t t h e s p i n n e t w o r k

s t a t e s a r e g a u g e - i n v a r i a n t a n d l i e i n L

2

( A ) , i n f a c t i n F u n

0

( A ) . B u t w e w a n t

t o s h o w m o r e : w e w a n t t o s h o w t h e y s p a n t h e w h o l e s p a c e o f g a u g e - i n v a r i a n t

v e c t o r s i n L

2

( A ) . F o r t h i s a m o r e a b s t r a c t a p p r o a c h i s b e t t e r .

T h e g r o u p G a c t s o n A , a n d i n f a c t t h e r e i s a u n i t a r y r e p r e s e n t a t i o n o f

G o n L

2

( A ) g i v e n b y

g ( A ) = ( g

? 1

A ) :

T o s e e t h i s i t i s u s e f u l t o i n t r o d u c e w o r k ` o n e e m b e d d e d g r a p h a t a t i m e ' . O n e

c a n s h o w t h a t f o r a n y e m b e d d e d g r a p h , L

2

( A

) c a n b e i d e n t i e d w i t h t h e

s m a l l e s t c l o s e d s u b s p a c e o f L

2

( A ) c o n t a i n i n g a l l f u n c t i o n s o f t h e f o r m g i v e n

i n e q u a t i o n ( 1 ) . I f w e d o a g a u g e t r a n s f o r m a t i o n g 2 G o n t h e c o n n e c t i o n A ,

t h e h o l o n o m y a l o n g a n y e d g e

i

t r a n s f o r m s t o

T e x p

Z

i

g A = g (

i

( 1 ) ) ( T e x p

Z

i

A ) g (

i

( 0 ) )

? 1

; ( 2 )

s o i f l i e s i n L

2

( A

) , s o d o e s g . T h u s w e g e t a r e p r e s e n t a t i o n o f G o n

e a c h s u b s p a c e L

2

( A

) , a n d t h e s e r e p r e s e n t a t i o n s a r e u n i t a r y b e c a u s e H a a r

m e a s u r e i s l e f t - a n d r i g h t - i n v a r i a n t . S i n c e t h e u n i o n o f t h e s u b s p a c e s L

2

( A

)

i s d e n s e i n L

2

( A ) , w e o b t a i n a u n i t a r y r e p r e s e n t a t i o n o f G o n a l l o f L

2

( A ) .

1 9



L e t L

2

( A

= G

) d e n o t e t h e g a u g e - i n v a r i a n t s u b s p a c e o f L

2

( A

) . S i n c e

t h e a c t i o n o f G o n L

2

( A ) p r e s e r v e s e a c h s u b s p a c e L

2

( A

) , t h e u n i o n o f t h e

s u b s p a c e s L

2

( A

= G

) m u s t s p a n L

2

( A = G ) . S o , w h a t d o e s L

2

( A

= G

) l o o k

l i k e F o r t h i s w e n e e d a v e r y p r e c i s e p i c t u r e o f t h e a c t i o n o f G o n L

2

( A

) .

W r i t e E f o r t h e s e t o f e d g e s o f , a n d V f o r t h e s e t o f v e r t i c e s . T h e n

p i c k i n g a t r i v i a l i z a t i o n o f P o v e r t h e v e r t i c e s o f , w e o b t a i n a n i s o m o r p h i s m

L

2

( A

)

=

L

2

( G

E

)

=

O

e 2 E

L

2

( G ) :

T o s e e h o w G a c t s o n t h e r i g h t - h a n d s i d e , w e u s e t h e P e t e r - W e y l t h e o r e m .

N o t e t h a t G G a c t s o n G b y

( g

1

; g

2

) ( h ) = g

1

h g

? 1

2

;

g i v i n g a u n i t a r y r e p r e s e n t a t i o n o f G G o n L

2

( G ) . T h e P e t e r - W e y l t h e o r e m

d e s c r i b e s h o w L

2

( G ) d e c o m p o s e s i n t o i r r e d u c i b l e u n i t a r y r e p r e s e n t a t i o n s o f

G G . T h e s e a r e a l l o f t h e f o r m

1

2

, w h e r e

1

a n d

2

a r e i r r e d u c i b l e

u n i t a r y r e p r e s e n t a t i o n s o f G . L e t R b e a s e t c o n t a i n i n g o n e i r r e d u c i b l e

u n i t a r y r e p r e s e n t a t i o n o f G f r o m e a c h e q u i v a l e n c e c l a s s . T h e n t h e P e t e r -

W e y l t h e o r e m s a y s t h a t

L

2

( G )

=

M

2 R

:

I t f o l l o w s t h a t

L

2

( A

)

=

O

e 2 E

M

2 R

;

a n d i n t e r m s o f t h i s d e s c r i p t i o n , a n y g 2 G a c t s o n L

2

( A

) a s t h e o p e r a t o r

O

e 2 E

M

2 R

( g ( s ( e ) )

( g ( t ( e ) ) ) :

T h e r e a s o n i s t h a t t h e h o l o n o m y o f A a l o n g e a c h e d g e e t r a n s f o r m s i n p r e c i s e l y

t h e m a n n e r s u i t e d t o a p p l y i n g t h e P e t e r - W e y l t h e o r e m , a s w e s a w i n e q u a t i o n

( 2 ) .

N e x t , u s i n g t h e a s s o c i a t i v i t y o f t e n s o r p r o d u c t o v e r d i r e c t s u m , w e o b t a i n

L

2

( A

)

=

M

2 R

E

O

e 2 E

e

e

;

2 0



w h e r e R

E

i s t h e s e t o f a l l l a b e l l i n g s o f e d g e s e 2 E b y r e p r e s e n t a t i o n s

e

2 R .

G r o u p i n g t h e e d g e s b y t h e i r s o u r c e a n d t a r g e t , t h i s g i v e s

L

2

( A

)

=

M

2 R

E

O

v 2 V

0

@

O

e 2 S ( v )

e

O

e 2 T ( v )

e

1

A

:

I n t h e s e t e r m s a n y g 2 G a c t s o n L

2

( A

) a s t h e o p e r a t o r

M

2 R

E

O

v 2 V

0

@

O

e 2 S ( v )

e

( g

v

)

O

e 2 T ( v )

e

( g

v

)

1

A

:

T h u s w e h a v e

L

2

( A

= G

)

=

M

2 R

E

O

v 2 V

I n v

0

@

O

e 2 S ( v )

e

O

e 2 T ( v )

e

1

A

;

w h e r e f o r a n y r e p r e s e n t a t i o n o f G , I n v ( ) i s t h e s u b s p a c e o f G - i n v a r i a n t

v e c t o r s . B u t I n v (

2

1

) i s i s o m o r p h i c t o t h e s p a c e H o m (

1

;

2

) o f i n t e r -

t w i n i n g o p e r a t o r s f r o m

1

t o

2

, s o n a l l y w e h a v e

L

2

( A

= G

)

=

M

2 R

E

O

v 2 V

H o m

0

@

O

e 2 T ( v )

e

;

O

e 2 S ( v )

e

1

A

:

I n o t h e r w o r d s , a c o m p l e t e s e t o f g a u g e - i n v a r i a n t v e c t o r s i n L

2

( A

) i s

o b t a i n e d b y l a b e l l i n g e a c h e d g e o f w i t h a n i r r e d u c i b l e u n i t a r y r e p r e s e n t a -

t i o n o f G a n d l a b e l l i n g e a c h v e r t e x o f w i t h a n i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r f r o m

t h e t e n s o r p r o d u c t o f r e p r e s e n t a t i o n s l a b e l l i n g i n c o m i n g e d g e s t o t h e t e n s o r

p r o d u c t o f r e p r e s e n t a t i o n s l a b e l l i n g o u t g o i n g e d g e s . I f o n e u n r a v e l s t h e l o g i c

o f t h e p r o o f , o n e s e e s t h a t t h e s e a r e s p e c i a l c a s e s o f t h e s p i n n e t w o r k s t a t e s

d e s c r i b e d m o r e e x p l i c i t l y a b o v e !

O u r w o r k h a s s h o w n t h a t s p i n n e t w o r k s t a t e s s p a n L

2

( A = G ) . B u t i n f a c t

w e h a v e s h o w n m o r e . F o r e a c h e m b e d d e d g r a p h w e o b t a i n a n o r t h o n o r m a l

b a s i s o f L

2

( A

= G

) b y l e t t i n g r a n g e o v e r a l l l a b e l l i n g s o f e d g e s b y i r r e d u c i b l e

u n i t a r y r e p r e s e n t a t i o n s , a n d , f o r e a c h , p i c k i n g a n o r t h o n o r m a l b a s i s o f

H o m

0

@

O

e 2 T ( v )

e

;

O

e 2 S ( v )

e

1

A

2 1



f o r e a c h v e r t e x v . W h i l e i t i s a n u i s a n c e t o a s s e m b l e a l l t h e s e o r t h o n o r m a l

b a s e s i n t o a s i n g l e o r t h o n o r m a l b a s i s f o r a l l o f L

2

( A = G ) , f o r p r a c t i c a l c o m -

p u t a t i o n s h a v i n g a n o r t h o n o r m a l b a s i s f o r e a c h g r a p h i s u s u a l l y s u c i e n t .

O f c o u r s e , f o r r e a l l y p r a c t i c a l c o m p u t a t i o n s o n e m i g h t n e e d a r e c i p e f o r

p i c k i n g a n o r t h o n o r m a l b a s i s o f t h e s p a c e o f i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r s

H o m

0

@

O

e 2 T ( v )

e

;

O

e 2 S ( v )

e

1

A

:

F o r e x a m p l e , B r u g m a n n 1 9 ] h a s t r i e d s o m e c o m p u t e r s i m u l a t i o n s o f q u a n -

t u m g r a v i t y u s i n g s p i n n e t w o r k s , a n d c o m p u t e r s a r e n o t o r i o u s f o r w a n t i n g

e v e r y t h i n g t o b e v e r y e x p l i c i t . T o p i c k s u c h a n o r t h o n o r m a l b a s i s , o n e n e e d s

t o u n d e r s t a n d t h e r e p r e s e n t a t i o n t h e o r y o f G . L u c k i l y , t h e r e p r e s e n t a t i o n

t h e o r y o f S U ( 2 ) i s q u i t e s i m p l e , s o l e t u s c o n s i d e r t h a t c a s e . A m o r e d e t a i l e d

t r e a t m e n t c a n b e f o u n d i n t h e w o r k o f R o v e l l i a n d S m o l i n 4 6 ] .

T h e i r r e d u c i b l e u n i t a r y r e p r e s e n t a t i o n s o f S U ( 2 ) c a n b e l a b e l l e d b y t h e i r

d i m e n s i o n d = 1 ; 2 ; 3 ; : : : , o r e q u i v a l e n t l y b y t h e i r ` s p i n ' j = 0 ;

1

2

; 1 ; : : : , w h e r e

d = 2 j + 1 . T h e t e n s o r p r o d u c t o f t w o s u c h r e p r e s e n t a t i o n s d e c o m p o s e s a s

f o l l o w s :

j

1

j

2

= j j

1

? j

2

j j j

1

? j

2

j + 1 j

1

+ j

2

:

T h i s m e a n s t h a t f o r a t r i v a l e n t g r a p h w e d o n o t n e e d t o w o r r y m u c h a b o u t

l a b e l l i n g t h e v e r t i c e s w i t h i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r s . S u p p o s e , f o r e x a m p l e ,

t h a t a v e r t e x h a s t w o i n c o m i n g e d g e s l a b e l l e d w i t h s p i n s j

1

a n d j

2

, a n d o n e

o u t g o i n g e d g e l a b e l l e d j

3

. U n l e s s t h e C l e b s c h - G o r d o n c o n d i t i o n

j j

1

? j

2

j j

3

j

1

+ j

2

; j

1

+ j

2

+ j

3

2 Z

h o l d s , t h e r e p r e s e n t a t i o n j

3

w i l l n o t a p p e a r a s a s u m m a n d o f o f t h e t e n s o r

p r o d u c t j

1

j

2

, a n d t h e r e i s n o w a y t o g e t a n o n z e r o s p i n n e t w o r k s t a t e f r o m

t h i s l a b e l l i n g . I f t h e C l e b s c h - G o r d o n c o n d i t i o n d o e s h o l d , j

3

a p p e a r s w i t h

m u l t i p l i c i t y 1 i n j

1

j

2

, s o u p t o a c o n s t a n t f a c t o r w h i c h o n e m u s t x i n

s o m e s t a n d a r d w a y , t h e r e i s n o c h o i c e a b o u t w h i c h i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r t o

p i c k .

G r a p h s t h a t a r e n o t t r i v a l e n t c a n b e r e d u c e d t o t h e t r i v a l e n t c a s e a s

f o l l o w s . T a k e e a c h n - v a l e n t v e r t e x a n d r e p l a c e i t i n o n e s m i n d b y a n - l e a v e d

t r e e e a c h o f w h o s e v e r t i c e s i s t r i v a l e n t . I f t h e o r i g i n a l v e r t e x w a s n - v a l e n t ,

t h i s t r e e w i l l h a v e n ? 3 n e w ` i n t e r n a l e d g e s ' . A b a s i s o f i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r s

2 2



f o r t h e o r i g i n a l v e r t e x i s t h e n g i v e n b y a l l l a b e l l i n g s o f t h e s e i n t e r n a l e d g e s

b y s p i n s s a t i s f y i n g t h e C l e b s c h - G o r d o n c o n d i t i o n . O f c o u r s e , t h e r e a r e m a n y

d i e r e n t t r e e s w i t h n l e a v e s , s o t h e r e i s a g r e a t d e a l o f a r b i t r a r i n e s s i n t h i s

c h o i c e o f b a s i s . H o w e v e r , t o c h a n g e f r o m o n e b a s i s t o a n o t h e r s i m p l y r e q u i r e s

r e p e a t e d u s e o f s o m e m a t r i c e s k n o w n a s t h e 6 j s y m b o l s , w h i c h a r e f a m i l i a r

i n S U ( 2 ) r e p r e s e n t a t i o n t h e o r y a n d w h o s e g e n e r a l i z a t i o n s p l a y a n i m p o r t a n t

r o l e i n t o p o l o g i c a l q u a n t u m e l d t h e o r y 2 6 , 3 6 ] .

B e f o r e r e t u r n i n g t o a m o r e t h o r o u g h t r e a t m e n t o f t h e n e w v a r i a b l e s a n d

t h e u s e o f s p i n n e t w o r k s o f q u a n t u m g r a v i t y , l e t u s s a y a l i t t l e a b o u t t h e

h i s t o r y o f s p i n n e t w o r k s . B e c a u s e o f t h e i m m e n s e d i c u l t i e s t h e y h a v e h a d

i n q u a n t i z i n g g r a v i t y , p h y s i c i s t s h a v e o f t e n c o n s i d e r e d t h e p o s s i b i l i t y t h a t

o u r p i c t u r e o f s p a c e t i m e a s a m a n i f o l d b r e a k s d o w n a t t h e P l a n c k s c a l e .

T h i s h a s l e d t o v a r i o u s a t t e m p t s t o r e f o r m u l a t e p h y s i c s i n t e r m s o f m o r e

d i s c r e t e , o r c o m b i n a t o r i a l , i d e a s . I n f a c t , s p i n n e t w o r k s w e r e i n v e n t e d i n t h e

e a r l y 1 9 7 0 s b y P e n r o s e 3 9 ] i n o n e s u c h a t t e m p t . H o w e v e r , w h i l e o u r s p i n

n e t w o r k s i n v o l v e g r a p h s e m b e d d e d i n a p r e - e x i s t i n g m a n i f o l d t h a t r e p r e s e n t s

s p a c e , h i s s p i n n e t w o r k s w e r e a b s t r a c t g r a p h s l a b e l l e d b y r e p r e s e n t a t i o n s

a n d i n t e r t w i n i n g o p e r a t o r s . I n o t h e r w o r d s , r a t h e r t h a n s e r v i n g a s a t o o l

f o r d e s c r i b i n g t h e g e o m e t r y o f a s p a c e t i m e m a n i f o l d , h i s s p i n n e t w o r k s w e r e

i n t e n d e d a s a p u r e l y c o m b i n a t o r i a l s u b s t i t u t e f o r a s p a c e t i m e m a n i f o l d . T h e

p r o b l e m w i t h t h i s s o r t o f r a d i c a l i d e a h a s a l w a y s b e e n b r i d g i n g t h e g a p

b e t w e e n i t a n d e x i s t i n g t h e o r i e s o f p h y s i c s . T h u s t h e m o r e r e c e n t d i s c o v e r y

t h a t s p i n n e t w o r k s a l s o a r i s e n a t u r a l l y i n a t t e m p t s t o q u a n t i z e E i n s t e i n ' s

e q u a t i o n i s q u i t e i n t r i g u i n g .

I f w e s u c c e e d e d i n c o n s t r u c t i n g q u a n t u m g r a v i t y a s a e l d t h e o r y o n a

m a n i f o l d , w e m i g h t s i m p l y d e c i d e t o f o r g e t a b o u t m o r e c o m b i n a t o r i a l a p -

p r o a c h e s t o q u a n t u m g r a v i t y . H o w e v e r , a s w e s h a l l s e e , t h e H a m i l t o n i a n

c o n s t r a i n t p o s e s s e r i o u s p r o b l e m s e v e n i n t h e n e w v a r i a b l e s f o r m a l i s m , s o -

c a l l e d ` u l t r a v i o l e t p r o b l e m s ' , w h i c h m i g h t b e d u e t o f a l s e l y e x t r a p o l a t i n g o u r

p i c t u r e o f s p a c e t i m e a s a m a n i f o l d t o a r b i t r a r i l y s m a l l l e n g t h s c a l e s . T h u s

i t i s s t i l l w o r t h k e e p i n g i n m i n d t h e p o s s i b i l i t y t h a t s o m e c o m b i n a t o r i a l a p -

p r o a c h i s t h e f u n d a m e n t a l o n e . F o r t h i s r e a s o n , a n y c l u e s a b o u t t h e r e l a t i o n

b e t w e e n ` a b s t r a c t ' a n d ` e m b e d d e d ' s p i n n e t w o r k s a r e l i k e l y t o b e i n t e r e s t i n g .

L u c k i l y , t h e r e a r e q u i t e a f e w c l u e s a l o n g t h e s e l i n e s ! W h i l e P e n r o s e ' s

i d e a s y i e l d a p u r e l y c o m b i n a t o r i a l r e c i p e f o r d e n i n g a n i n v a r i a n t o f a b s t r a c t

S U ( 2 ) s p i n n e t w o r k s , t h i s i n v a r i a n t c a n a l s o b e d e s c r i b e d i n t e r m s o f s p i n

n e t w o r k s e m b e d d e d i n R

3

. O n e c a n o b t a i n a g e n e r a l i z e d m e a s u r e o n t h e

2 3



s p a c e A o f S U ( 2 ) c o n n e c t i o n s o n R

3

b y t a k i n g a n i t e B o r e l m e a s u r e

0

o n

t h e s u b s p a c e A

0

o f a t c o n n e c t i o n s , a n d d e n i n g

Z

A

( A ) d =

Z

A

0

( A ) d

0

: ( 3 )

T h e n i f i s a s p i n n e t w o r k s t a t e a s s o c i a t e d t o s o m e g r a p h , t h e i n t e g r a l

R

A

( A ) d d o e s n o t d e p e n d o n t h e c h o i c e o f e m b e d d i n g o f , e s s e n t i a l l y

b e c a u s e t h e h o l o n o m y o f a a t c o n n e c t i o n a l o n g a p a t h d o e s n o t c h a n g e

w h e n t h e p a t h i s d e f o r m e d . T h u s w e o b t a i n a n i n v a r i a n t o f a b s t r a c t s p i n

n e t w o r k s . I f

0

i s a p r o b a b i l i t y m e a s u r e , t h i s i s t h e s a m e i n v a r i a n t t h a t

o n e c a n d e n e c o m b i n a t o r i a l l y f o l l o w i n g t h e i d e a s o f P e n r o s e ( w h i l e c a r e f u l l y

a d j u s t i n g h i s s i g n c o n v e n t i o n s 4 6 ] ) .

A s t r i k i n g g e n e r a l i z a t i o n o f t h i s i d e a a r i s e s f r o m t h e w o r k o f W i t t e n 4 8 ]

o n C h e r n - S i m o n s t h e o r y a n d t h e J o n e s p o l y n o m i a l , a n d i t s s u b s e q u e n t r e i n -

t e r p r e t a t i o n u s i n g q u a n t u m g r o u p s b y R e s h t e k h i n a n d T u r a e v 4 2 ] . H e u r i s -

t i c a l l y , C h e r n - S i m o n s t h e o r y d e n e s a n i s o t o p y i n v a r i a n t o f s p i n n e t w o r k s

e m b e d d e d i n S

3

b y m e a n s o f a m e a s u r e o n t h e s p a c e o f c o n n e c t i o n s :

Z

A

( A ) e

i k

4

R

S

3

t r ( A ̂ d A +

2

3

A ̂ A ̂ A )

D A ( 4 )

I n d e e d , W i t t e n w a s a b l e b y f o r m a l m a n i p u l a t i o n s t o c o m p u t e t h e s e i n v a r i a n t s

i n c e r t a i n c a s e s . U n f o r t u n a t e l y , u n l i k e e q u a t i o n ( 3 ) , t h i s f o r m u l a i s d i c u l t

t o m a k e r i g o r o u s . I t i n v o l v e s t h e p u r e l y f o r m a l ` L e b e s g u e m e a s u r e ' D A , a n d

r e p l a c i n g D A b y t h e u n i f o r m g e n e r a l i z e d m e a s u r e d o e s n o t h e l p m u c h , s i n c e

t h e q u a n t i t y i n t e g r a t e d a g a i n s t i t d o e s n o t l i e i n F u n ( A ) . I n f a c t , o n e c a n n o t

r e a l l y c o m p u t e t h e s e s p i n n e t w o r k i n v a r i a n t s u s i n g a g e n e r a l i z e d m e a s u r e i n

o u r p r e c i s e s e n s e o f t h e t e r m 1 2 ] . O n e r e a s o n , t h o u g h n o t t h e o n l y o n e , i s

t h a t t h e i n v a r i a n t s d e p e n d o n a c h o i c e o f e x t r a s t r u c t u r e k n o w n a s a ` f r a m i n g ' .

N o n e t h e l e s s , R e s h e t i k h i n a n d T u r a e v w e r e a b l e t o r i g o r o u s l y c o n s t r u c t t h e s e

i s o t o p y i n v a r i a n t s o f f r a m e d e m b e d d e d s p i n n e t w o r k s b y a c o m b i n a t o r i a l

p r o c e d u r e t h a t g e n e r a l i z e s P e n r o s e ' s r e c i p e t o q u a n t u m g r o u p s . I n t h e c a s e

o f l i n k s l a b e l l e d b y t h e s p i n -

1

2

r e p r e s e n t a t i o n o f S U ( 2 ) , t h i s i n v a r i a n t i s j u s t

t h e K a u m a n b r a c k e t .

T h e s e i d e a s i n t e r a c t w i t h t h e s u b j e c t o f q u a n t u m g r a v i t y i n m a n y w a y s .

I n S e c t i o n 1 w e c i t e d s o m e e x p o s i t o r y a c c o u n t s o f t h e r e l a t i o n b e t w e e n C h e r n -

S i m o n s t h e o r y a n d q u a n t u m g r a v i t y i n 4 - d i m e n s i o n a l s p a c e t i m e . H o w e v e r ,

s p i n n e t w o r k s a n d C h e r n - S i m o n s t h e o r y a r e a l s o c l o s e l y r e l a t e d t o q u a n t u m

2 4



g r a v i t y w i t h c o s m o l o g i c a l c o n s t a n t i n 3 - d i m e n s i o n a l s p a c e t i m e 2 8 , 3 6 , 4 0 ,

4 3 , 4 4 , 4 7 , 4 9 ] . I n t h i s c a s e , q u a n t u m g r a v i t y c a n b e r i g o r o u s l y d e s c r i b e d

e i t h e r b y s t a r t i n g w i t h E i n s t e i n ' s e q u a t i o n o n a s m o o t h 3 - m a n i f o l d , p h r a s e d

i n t e r m s o f a n a p p r o p r i a t e v e r s i o n o f t h e n e w v a r i a b l e s , o r p u r e l y c o m b i n a t o -

r i a l l y i n t e r m s o f a s i m p l i c i a l 3 - m a n i f o l d w i t h e d g e s l a b e l l e d b y s p i n s . B e t t e r

y e t , a l t h o u g h t h e r e i s s t i l l a b i t o f w o r k l e f t i n p r o v i n g t h i s r i g o r o u s l y , i t

a p p e a r s t h a t t h e t w o a p p r o a c h e s a r e e q u i v a l e n t ! I n s h o r t , i n t h i s t o y m o d e l

t h e q u e s t i o n a s t o w h e t h e r s p a c e t i m e i s c o n t i n u o u s o r d i s c r e t e h a s n o s i m p l e

y e s - o r - n o a n s w e r ; i n s o m e s e n s e , t h e a n s w e r i s ` b o t h ' .

I t i s n a t u r a l t o w o n d e r i f t h e s a m e m i g h t b e t r u e i n 4 d i m e n s i o n s . T h e r e

a r e a f e w h i n t s h e r e . O n e t h e o n e h a n d , E i n s t e i n ' s e q u a t i o n i n t h e n e w

v a r i a b l e s f o r m u l a t i o n h a s a s i m p l e r r e l a t i v e c a l l e d B F t h e o r y 1 2 ] , w h i c h i s

m u c h e a s i e r t o c a n o n i c a l l y q u a n t i z e . O n t h e o t h e r h a n d , C r a n e a n d Y e t t e r

h a v e c o m b i n a t o r i a l l y c o n s t r u c t e d a r e l a t i v e l y s i m p l e t o p o l o g i c a l q u a n t u m

e l d t h e o r y i n 4 d i m e n s i o n s u s i n g s p i n n e t w o r k s 2 2 ] . I t i s n o t k n o w n i f t h e s e

a r e e q u i v a l e n t , t h o u g h t h e r e a r e s o m e c l u e s s u g g e s t i n g i t , s u c h a s t h e r e l a t i o n

o f b o t h t o C h e r n - S i m o n s t h e o r y . T h i s w o u l d b e w o r t h u n d e r s t a n d i n g b e t t e r ,

e v e n t h o u g h w e e x p e c t f u l l - e d g e d q u a n t u m g r a v i t y i n 4 d i m e n s i o n s t o b e

m o r e c o m p l i c a t e d .

3 T h e N e w V a r i a b l e s

N o w l e t u s r e t u r n t o g e n e r a l r e l a t i v i t y a n d d e s c r i b e m o r e p r e c i s e l y h o w t h e

n e w v a r i a b l e s m a k e i t l o o k m o r e l i k e o t h e r g a u g e t h e o r i e s . I n i t s o r i g i n a l f o r -

m u l a t i o n , g e n e r a l r e l a t i v i t y i s a l l a b o u t a m e t r i c o n s p a c e t i m e , w h i l e g a u g e

t h e o r i e s a r e a l l a b o u t a c o n n e c t i o n o n s o m e b u n d l e o v e r s p a c e t i m e . O f c o u r s e

t h e r e i s a c o n n e c t i o n i n v o l v e d i n g e n e r a l r e l a t i v i t y t o o , t h e L e v i - C i v i t a c o n -

n e c t i o n , b u t t h i s i s t r a d i t i o n a l l y r e g a r d e d a s a s u b s i d i a r y e n t i t y , s i n c e i t c a n

b e c o m p u t e d s t a r t i n g f r o m t h e m e t r i c . T o e m p h a s i z e t h e g a u g e - t h e o r e t i c

a s p e c t s o f g e n e r a l r e l a t i v i t y , o n e n e e d s t o r e w r i t e i t s o a c o n n e c t i o n h a s t h e

s t a r r i n g r o l e , a n d t h e m e t r i c a p p e a r s a s m o r e o f a m i n o r c h a r a c t e r . T h e r e

h a v e b e e n m a n y d i e r e n t a t t e m p t s t o d o t h i s , a n d f o r a m o r e t h o r o u g h e x -

p l o r a t i o n o f t h e m t h e r e a d e r w i l l h a v e t o t u r n e l s e w h e r e 3 8 ] . H e r e w e o n l y

d e s c r i b e t w o : t h e P a l a t i n i f o r m a l i s m , a n d t h e P l e b a n s k i f o r m a l i s m . T h e l a t -

t e r i s t h e o n e d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e ` n e w v a r i a b l e s ' , b u t t h e f o r m e r s e r v e s

a s a g o o d w a r m u p e x e r c i s e . T h i s s e c t i o n m a k e s s o m e w h a t g r e a t e r d e m a n d s

2 5



o n t h e r e a d e r ' s a c q u a i n t a n c e w i t h d i e r e n t i a l g e o m e t r y , a n d a l s o u s e s s o m e

v a r i a t i o n a l c a l c u l u s . L u c k i l y , t h e r e h a p p e n s t o b e a t e x t b o o k t h a t e x p l a i n s

m o s t o f w h a t w e n e e d 1 4 ] . W e w i l l s k i p o v e r a l l s o r t s o f i m p o r t a n t s u b t l e t i e s ,

w h i c h a r e d i s c u s s e d i n A s h t e k a r ' s b o o k s 2 , 3 ] .

I n t h e P a l a t i n i f o r m a l i s m t h e r e w i l l b e t w o b a s i c e l d s , a c o n n e c t i o n a n d

a ` s o l d e r i n g f o r m ' . T h e c l e v e r i d e a ( i n t h e m o d e r n v e r s i o n o f t h i s a p p r o a c h ) i s

t o x a n o r i e n t e d b u n d l e T o v e r M t h a t i s i s o m o r p h i c t o t h e t a n g e n t b u n d l e

T M , b u t n o t c a n o n i c a l l y s o . W e c a n t h i n k o f T a s a k i n d o f ` i m i t a t i o n

t a n g e n t b u n d l e ' . P h y s i c i s t s u s u a l l y c a l l i t , o r a n y o f i t s b e r s , t h e ` i n t e r n a l

s p a c e ' . W e a s s u m e T i s e q u i p p e d w i t h a L o r e n t z i a n m e t r i c | t h e ` i n t e r n a l

m e t r i c ' | a n d a s s u m e t h a t t h e s p a c e t i m e m e t r i c g i s o b t a i n e d f r o m v i a a n

i s o m o r p h i s m e : T M ! T . I n o t h e r w o r d s ,

g ( v ; w ) = ( e ( v ) ; e ( w ) ) ( 5 )

f o r a n y v e c t o r e l d s v a n d w . W e m a y r e g a r d e a s a T - v a l u e d 1 - f o r m , a n d

t h e n i t i s c a l l e d t h e s o l d e r i n g f o r m . W e s h o u l d a d d , i n t h e i n t e r e s t s o f c u l t u r a l

l i t e r a c y , t h a t e i s a l s o c a l l e d t h e ` c o f r a m e e l d ' , w h i l e e

? 1

i s k n o w n a s t h e

` f r a m e e l d ' , ` t e t r a d e l d ' , o r ` v i e r b e i n ' .

I n P a l a t i n i f o r m a l i s m t h e t w o b a s i c e l d s a r e t h i s s o l d e r i n g f o r m e a n d

a c o n n e c t i o n A o n T p r e s e r v i n g t h e m e t r i c , u s u a l l y c a l l e d a ` L o r e n t z c o n -

n e c t i o n ' . O n e v i r t u e o f t h i s f o r m a l i s m i s t h a t i t m a k e s s e n s e e v e n w h e n

e : T M ! T i s n o t a n i s o m o r p h i s m . T h u s t h e P a l a t i n i f o r m a l i s m e x t e n d s

g e n e r a l r e l a t i v i t y t o c e r t a i n c a s e s w h e r e t h e m e t r i c g i s d e g e n e r a t e .

I n c o m p u t a t i o n s i t i s h a n d y t o u s e d i e r e n t i a l f o r m s o n M t a k i n g v a l u e s

i n t h e e x t e r i o r a l g e b r a b u n d l e T . T h e s e f o r m a n a l g e b r a , w h e r e t h e p r o d u c t

( w r i t t e n a s ̂ ) i s b u i l t f r o m t h e e x t e r i o r p r o d u c t i n T t o g e t h e r w i t h t h e u s u a l

w e d g e p r o d u c t o f d i e r e n t i a l f o r m s . I n c o m p l e t e a n a l o g y w i t h t h e v o l u m e

f o r m o n a n o r i e n t e d L o r e n t z i a n m a n i f o l d , t h e o r i e n t a t i o n a n d i n t e r n a l m e t r i c

o n T g i v e r i s e t o a n ` i n t e r n a l v o l u m e f o r m ' , i . e . a s e c t i o n o f

4

T . T h i s

i n t u r n y i e l d s a m a p f r o m

4

T - v a l u e d f o r m s t o o r d i n a r y d i e r e n t i a l f o r m s ,

d e n o t e d b y ` t r ' , a n d g i v e n b y

t r ( ! ) = !

f o r a n y d i e r e n t i a l f o r m ! o n M . N o w t h e c u r v a t u r e o f t h e c o n n e c t i o n A c a n ,

a s u s u a l , b e r e g a r d e d a s a n E n d ( T ) - v a l u e d 2 - f o r m , b u t t h e i n t e r n a l m e t r i c

p r o v i d e s a n i s o m o r p h i s m T

=

T

, s o w e m a y t h i n k o f i t a s T T - v a l u e d ,

2 6



a n d t h e n t h e f a c t t h a t A i s m e t r i c - p r e s e r v i n g m e a n s t h e c u r v a t u r e a c t u a l l y

t a k e s v a l u e s i n

2

T . W e c a l l t h i s

2

T - v a l u e d 2 - f o r m F .

O n e c a n t h e n o b t a i n t h e v a c u u m E i n s t e i n e q u a t i o n f r o m a v a r i a t i o n a l

p r i n c i p l e , s t a r t i n g w i t h t h e ` P a l a t i n i a c t i o n ' g i v e n b y

S

P a l

( A ; e ) =

Z

M

t r ( e ̂ e ̂ F ) :

L e t u s s k e t c h h o w t h i s g o e s . T h e i d e a i s t o c o m p u t e t h e v a r i a t i o n S

P a l

,

d e m a n d t h a t i t v a n i s h f o r a l l c o m p a c t l y s u p p o r t e d v a r i a t i o n s A a n d e , a n d

s e e w h a t t h i s i m p l i e s . W e w i l l n e e d t o u s e t h e w o n d e r f u l f o r m u l a

F = d

A

A ; ( 6 )

w h e r e d

A

d e n o t e s t h e e x t e r i o r c o v a r i a n t d e r i v a t i v e o f T - v a l u e d f o r m s w i t h

r e s p e c t t o t h e c o n n e c t i o n A , a n d A i s t r e a t e d a s a

2

T - v a l u e d 1 - f o r m . W e

b e g i n b y c o m p u t i n g t h e v a r i a t i o n , o r d i e r e n t i a l , o f S

P a l

a s a f u n c t i o n o f A

a n d e :

S

P a l

=

Z

t r ( e ̂ e ̂ F )

=

Z

t r ( 2 e ̂ e ̂ F + e ̂ e ̂ F ) ;

u s i n g t h e s t a n d a r d r u l e s f o r d i e r e n t i a t i o n . U s i n g e q u a t i o n ( 6 ) w e o b t a i n

S

P a l

=

Z

t r ( 2 e ̂ e ̂ F + e ̂ e ̂ d

A

A ) :

F i n a l l y , i n t e g r a t i n g b y p a r t s a s o n e a l w a y s d o e s i n t h e s e v a r i a t i o n a l c o m p u -

t a t i o n s ,

S

P a l

= 2

Z

t r ( e ̂ e ̂ F ? e ̂ d

A

e ̂ A ) :

T h i s o n l y v a n i s h e s f o r a l l c o m p a c t l y s u p p o r t e d A , e i f

e ̂ F = 0 ; e ̂ d

A

e = 0 :

T h e s e a r e o u r ` c l a s s i c a l e q u a t i o n s o f m o t i o n ' .

W h e n e i s a n i s o m o r p h i s m , t h e s e e q u a t i o n s a r e r e a l l y j u s t t h e v a c u u m

E i n s t e i n e q u a t i o n i n d i s g u i s e . F i r s t , o n e c a n s h o w t h a t i n t h i s c a s e e ̂ d

A

e = 0

i m p l i e s d

A

e = 0 . T h e n , u s i n g t h e i s o m o r p h i s m e : T M ! T t o t r a n s f e r A t o

2 7



a m e t r i c - p r e s e r v i n g c o n n e c t i o n o n T M , s a y ? , t h e e q u a t i o n d

A

e = 0 i m p l i e s

t h a t ? i s t o r s i o n - f r e e , h e n c e e q u a l t o t h e L e v i - C i v i t a c o n n e c t i o n o f g . T h i s

l e t s u s t r a n s l a t e t h e e q u a t i o n e ̂ F = 0 i n t o a n e q u a t i o n a b o u t t h e c u r v a t u r e

o f ? , i . e . , t h e R i e m a n n t e n s o r . W h e n w e d o s o , w e o b t a i n t h e v a c u u m E i n s t e i n

e q u a t i o n !

T h e P l e b a n s k i f o r m a l i s m w o r k s i n m u c h t h e s a m e w a y . I n d e e d , a t r s t

i t m a y s e e m l i k e j u s t a n u n n e c e s s a r i l y c o m p l i c a t e d v e r s i o n o f t h e P a l a t i n i

f o r m a l i s m . A s n o t e d b y A s h t e k a r , h o w e v e r , t h e c o n s t r a i n t s w o r k o u t m u c h

m o r e n i c e l y w h e n o n e t r i e s t o c a n o n i c a l l y q u a n t i z e t h e t h e o r y . T h e P l e b a n s k i

f o r m a l i s m i s a l s o c a l l e d t h e ` s e l f - d u a l ' f o r m a l i s m , b e c a u s e i t t a k e s a d v a n t a g e

o f s e l f - d u a l i t y , a v e r y s p e c i a l f e a t u r e o f 4 d i m e n s i o n s . R e c a l l t h a t g i v e n a

4 - d i m e n s i o n a l r e a l i n n e r p r o d u c t s p a c e V , t h e H o d g e s t a r o p e r a t o r m a p s t h e

s e c o n d e x t e r i o r p o w e r o f V t o i t s e l f :

? :

2

V !

2

V :

S i n c e ?

2

= 1 , w e c a n s p l i t a n y e l e m e n t ! 2

2

V i n t o a s e l f - d u a l a n d a n

a n t i - s e l f - d u a l p a r t :

! = !

+

+ !

?

; ? !

= !

:

A n o t h e r w a y t o t h i n k o f t h i s i s a s f o l l o w s . T h e i n n e r p r o d u c t g i v e s a n i s o -

m o r p h i s m b e t w e e n E n d ( V ) = V V

a n d V V , w h i c h r e s t r i c t s t o a n

i s o m o r p h i s m b e t w e e n s o ( V ) a n d

2

V . T h e s p l i t t i n g o f

2

V i n t o s e l f - d u a l

a n d a n t i - s e l f - d u a l p a r t s t h e n t u r n s o u t t o c o r r e s p o n d t o a s p l i t t i n g o f t h e 6 -

d i m e n s i o n a l L i e a l g e b r a s o ( V ) i n t o t w o 3 - d i m e n s i o n a l o n e s . T a k i n g V = R

4

t h i s g i v e s

s o ( 4 )

=

s o ( 3 ) s o ( 3 ) : ( 7 )

T h e s e s i m p l e f a c t s h a v e a l l s o r t s o f r a m i c a t i o n s f o r 4 - d i m e n s i o n a l p h y s i c s

a n d t o p o l o g y , e s p e c i a l l y i n g a u g e t h e o r y , w h e r e a c o n n e c t i o n o n a R i e m a n n i a n

m a n i f o l d h a v i n g s e l f - d u a l c u r v a t u r e 2 - f o r m i s a u t o m a t i c a l l y a s o l u t i o n o f t h e

Y a n g - M i l l s e q u a t i o n , c a l l e d a n ` i n s t a n t o n ' 2 9 ] . W h e n M i s c o m p a c t , t h e

s p a c e o f i n s t a n t o n s m o d u l o g a u g e t r a n s f o r m a t i o n s i s n i t e - d i m e n s i o n a l , a n d

o n e c a n e x t r a c t p o w e r f u l i n v a r i a n t s o f t h e s m o o t h s t r u c t u r e o f M f r o m t h i s

` m o d u l i s p a c e ' u s i n g t e c h n i q u e s d e v e l o p e d b y D o n a l d s o n a n d o t h e r s 2 5 ] .

F o r e x a m p l e , o n e c a n u s e t h e s e t o s h o w t h a t R

4

a d m i t s u n c o u n t a b l y m a n y

d i e r e n t s m o o t h s t r u c t u r e s , u n l i k e a n y o t h e r R

n

! S e i b e r g a n d W i t t e n h a v e

2 8



r e c e n t l y s i m p l i e d s o m e a s p e c t s o f D o n a l d s o n t h e o r y b y f u r t h e r r e c o u r s e t o

i d e a s f r o m p h y s i c s , b u t s e l f - d u a l i t y s t i l l p l a y s a k e y r o l e .

T h e s o r t o f s e l f - d u a l i t y r e l e v a n t t o t h e P l e b a n s k i f o r m a l i s m i s r a t h e r d i f -

f e r e n t , t h o u g h w i t h t a n t a l i z i n g r e l a t i o n s h i p s t o t h e a b o v e 2 1 ] . F i r s t , g i v e n a

L o r e n t z i a n r a t h e r t h a n R i e m a n n i a n 4 - m a n i f o l d , o n e h a s ?

2

= ? 1 o n 2 - f o r m s .

T h i s m e a n s t h a t t h e e i g e n v a l u e s o f t h e H o d g e s t a r o p e r a t o r a r e i , s o o n e

n e e d s t o w o r k w i t h c o m p l e x - v a l u e d 2 - f o r m s t o t a k e a d v a n t a g e o f s e l f - d u a l i t y .

W h e n w e t e n s o r b o t h s i d e s o f e q u a t i o n ( 7 ) w i t h C , w e o b t a i n

s o ( 4 ; C )

=

s l ( 2 ; C ) s l ( 2 ; C ) :

F o r t h e s e r e a s o n s , t h e P l e b a n s k i f o r m a l i s m a p p l i e s m o s t n a t u r a l l y t o c o m -

p l e x i e d g e n e r a l r e l a t i v i t y , a n d s o m e e x t r a w o r k i s n e e d e d t o r e s t r i c t t o r e a l -

v a l u e d m e t r i c s .

S e c o n d , i n t h e P l e b a n s k i f o r m a l i s m s e l f - d u a l i t y r s t s h o w s u p n o t w i t h

r e s p e c t t o ` h o n e s t ' 2 - f o r m s , b u t w i t h r e s p e c t t o s e c t i o n s o f

2

C T , t h e s e c o n d

e x t e r i o r p o w e r o f t h e c o m p l e x i e d i n t e r n a l s p a c e . T h e i n t e r n a l m e t r i c

e x t e n d s b y c o m p l e x i c a t i o n t o a b i l i n e a r p a i r i n g o n C T , w h i c h w e a g a i n c a l l

, a n d t h i s t o g e t h e r w i t h t h e o r i e n t a t i o n g i v e r i s e t o a n ` i n t e r n a l ' H o d g e s t a r

o p e r a t o r a c t i n g o n s e c t i o n s o f

2

C T . W e c a n t h u s s p l i t s e c t i o n s o f t h i s

b u n d l e i n t o s e l f - d u a l a n d a n t i - s e l f - d u a l p a r t s :

! = !

+

+ !

?

; !

= i !

:

N o w , t h e o r t h o n o r m a l f r a m e b u n d l e o f C T i s a p r i n c i p a l b u n d l e P w i t h

s t r u c t u r e g r o u p S O ( 4 ; C ) . A s s u m e w e h a v e a s p i n s t r u c t u r e f o r C T , t h a t

i s , a d o u b l e c o v e r

~

P o f P w i t h s t r u c t u r e g r o u p

g

S O ( 4 ; C ) = S L ( 2 ; C )

S L ( 2 ; C ) . T h e n

~

P i s t h e s u m P

+

P

?

o f t w o p r i n c i p a l b u n d l e s w i t h s t r u c t u r e

g r o u p S L ( 2 ; C ) . A m e t r i c - p r e s e r v i n g c o n n e c t i o n o n C T i s u s u a l l y c a l l e d a

` c o m p l e x L o r e n t z c o n n e c t i o n ' . B y t h e a b o v e , a c o m p l e x L o r e n t z c o n n e c t i o n

A i s e q u i v a l e n t t o a p a i r o f c o n n e c t i o n s A

o n P

, w h i c h w e c a l l t h e s e l f -

d u a l a n d a n t i - s e l f - d u a l p a r t s o f A . T h e c u r v a t u r e o f A

i s a 2 - f o r m F

t a k i n g v a l u e s i n t h e a s s o c i a t e d b u n d l e A d P

, b u t s e c t i o n s o f t h e s e b u n d l e s

c a n b e i d e n t i e d w i t h s e l f - d u a l ( r e s p . a n t i - s e l f - d u a l ) s e c t i o n s o f

2

C T . T h e

c u r v a t u r e o f A i s a

2

C T - v a l u e d 2 - f o r m F w i t h F = F

+

+ F

?

.

T h e t w o b a s i c e l d s i n t h e P l e b a n s k i f o r m a l i s m a r e a c o m p l e x - v a l u e d

s o l d e r i n g f o r m , t h a t i s , 1 - f o r m o n M w i t h v a l u e s i n C T , a n d a s e l f - d u a l

2 9



L o r e n t z c o n n e c t i o n A

+

, t h a t i s , a c o n n e c t i o n o n P

+

. T h e P l e b a n s k i a c t i o n i s

g i v e n b y :

S

P l e

( A

+

; e ) =

Z

M

t r ( e ̂ e ̂ F

+

)

T h i s i s v e r y m u c h l i k e t h e P a l a t i n i a c t i o n , a n d , m u c h a s b e f o r e , t h e c l a s s i c a l

e q u a t i o n s o f m o t i o n a r e

e ̂ F

+

= 0 ; e ̂ d

A

+

e = 0 :

T h e s e g i v e E i n s t e i n ' s e q u a t i o n f o r c o m p l e x - v a l u e d m e t r i c s o n M w h e n e

d e n e s a n i s o m o r p h i s m b e t w e e n t h e c o m p l e x i e d t a n g e n t b u n d l e o f M a n d

C T . T o s e e t h i s , r s t n o t e t h a t e g i v e s r i s e t o a c o m p l e x - v a l u e d m e t r i c g o n

M b y e q u a t i o n ( 5 ) . M o r e o v e r , w e c a n u s e e t o t r a n s f e r A

+

t o a c o n n e c t i o n

?

+

o n t h e c o m p l e x i e d t a n g e n t b u n d l e o f M . T h e e q u a t i o n e ̂ d

A

+

e = 0 t h e n

i m p l i e s ?

+

i s t o r s i o n - f r e e , h e n c e e q u a l t o t h e s e l f - d u a l p a r t o f t h e L e v i - C i v i t a

c o n n e c t i o n ? o f g . W e c a n t r a n s f e r ? b a c k t o C T a n d g e t a c o n n e c t i o n A

h a v i n g A

+

a s i t s s e l f - d u a l p a r t . T h e n i t t u r n s o u t t h a t e ̂ F

+

= e ̂ F , s o a s

i n t h e P a l a t i n i f o r m a l i s m w e o b t a i n E i n s t e i n ' s e q u a t i o n f o r g .

I n t e r m s o f t h e s e ` n e w v a r i a b l e s ' , a s t h e y a r e o f t e n c a l l e d , t h e c o n g u -

r a t i o n s p a c e o f g e n e r a l r e l a t i v i t y i s n o l o n g e r t h e s p a c e o f a l l m e t r i c s o n S .

I n s t e a d , i t i s t h e s p a c e A

+

o f a l l c o n n e c t i o n s o n P

+

r e s t r i c t e d t o S , o r m o r e

p r e c i s e l y , t o s o m e x e d s p a c e l i k e s l i c e S

t

M . A s i n t h e m e t r i c f o r m u l a t i o n ,

o n e c a n s e p a r a t e t h e e q u a t i o n s o f m o t i o n i n t o e v o l u t i o n a r y e q u a t i o n s a n d

c o n s t r a i n t s . W e s h a l l n o t g o t h r o u g h t h e c a l c u l a t i o n s h e r e , b u t s i m p l y s t a t e

s o m e o f t h e r e s u l t s 2 , 3 ] . R e c a l l t h a t i n t h e m e t r i c f o r m u l a t i o n o f g e n e r a l r e l -

a t i v i t y , t h e a n a l o g s o f t h e p o s i t i o n a n d m o m e n t u m a r e t h e e l d s q

i j

a n d p

i j

o n

S . I n t h e n e w v a r i a b l e s , t h e a n a l o g s o f p o s i t i o n a n d m o m e n t u m a r e i n s t e a d

t h e c o n n e c t i o n A

+

a n d t h e e l d ( e ̂ e )

+

r e s t r i c t e d t o S . S i n c e P

+

i s t r i v i a l

w h e n r e s t r i c t e d t o S , A

+

c a n b e i d e n t i e d w i t h a n s l ( 2 ; C ) - v a l u e d 1 - f o r m o n

S , u s u a l l y d e n o t e d s i m p l y b y A . S i m i l a r l y , ( e ̂ e )

+

c a n b e i d e n t i e d w i t h a n

s l ( 2 ; C ) - v a l u e d 2 - f o r m o n S , b u t p h y s i c i s t s o f t e n u s e t h e i s o m o r p h i s m

2

T

S

=

T S

3

T

S ;

g i v e n b y t h e i n t e r i o r p r o d u c t , t o t r e a t i t a s a ` d e n s i t i z e d v e c t o r e l d ' o n S

w i t h v a l u e s i n s l ( 2 ; C ) , u s u a l l y d e n o t e d b y

~

E . A c t u a l l y , u s i n g c o o r d i n a t e s ,

t h e y o f t e n w r i t e A a n d

~

E a s A

a

i

a n d

~

E

i a

, w h e r e a = 1 ; 2 ; 3 i n d e x e s a b a s i s o f

s l ( 2 ; C ) t h a t i s o r t h o n o r m a l w i t h r e s p e c t t o t h e K i l l i n g f o r m .

3 0



I n t h e s e t e r m s , t h e c o n s t r a i n t s i n t h e n e w v a r i a b l e s a p p r o a c h a r e

G

a

= @

i

~

E

i a

+ A

i

;

~

E

i

]

a

; ( 8 )

H

j

= F

a

i j

~

E

i

a

; ( 9 )

a n d

H =

a b c

F

c

i j

~

E

i a

~

E

j b

; ( 1 0 )

w h e r e F i s t h e c u r v a t u r e o f A a n d

a b c

i s t h e c o m p l e t e l y a n t i s y m m e t r i c t e n s o r

w i t h

1 2 3

= 1 .

I t i s p r o b a b l y n o t o b v i o u s f r o m o u r d e s c r i p t i o n w h e r e t h e a d v a n t a g e o f

t h e s e l f - d u a l f o r m a l i s m o v e r t h e P a l a t i n i f o r m a l i s m l i e s . T h e k e y p o i n t i s

t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e e l d

~

E f r o m ( e ̂ e )

+

. O n e c a n s i m i l a r l y c o n s t r u c t

~

E f r o m e ̂ e i n t h e P a l a t i n i f o r m a l i s m , b u t t h e n

~

E w i n d s u p b e i n g s u b j e c t

t o e x t r a c o n s t r a i n t s 3 ] w h i c h n e g a t e t h e a d v a n t a g e s o f t h i s a p p r o a c h . I n

t h e s e l f - d u a l f o r m a l i s m , n o c o n d i t i o n s o n

~

E n e e d h o l d f o r i t t o c o m e f r o m a

c o m p l e x s o l d e r i n g f o r m e .

4 C a n o n i c a l Q u a n t i z a t i o n

N o w l e t u s t r y t o c a n o n i c a l l y q u a n t i z e g r a v i t y i n t e r m s o f t h e n e w v a r i a b l e s ,

w i t h a n e y e t o t h e i m p o r t a n c e o f s p i n n e t w o r k s . T h e b a s i c i d e a o f D e W i t t ' s

a p p r o a c h g o e s o v e r t o t h i s c o n t e x t w i t h o n l y a f e w s m a l l m o d i c a t i o n s . I n

i t s n a i v e f o r m , t h e i d e a w o u l d b e t o d e n e a H i l b e r t s p a c e L

2

( A

+

) a n d d e n e

o p e r a t o r s o n t h i s s p a c e b y

(

̂

A

a

i

) ( A ) = A

a

i

( A ) ; (

̂

~

E

i

a

) ( A ) = h

A

a

i

( A ) :

( A g a i n , w e h a v e s u p p r e s s e d t h e d e p e n d e n c e o f t h e s e o p e r a t o r s o n t h e p o i n t

i n o u r s p a c e l i k e s l i c e . ) W e w o u l d t h e n s u b s t i t u t e t h e s e o p e r a t o r s f o r A a n d

~

E

i n f o r m u l a s ( 8 - 1 0 ) , o b t a i n i n g q u a n t i z e d c o n s t r a i n t s

̂

H ,

̂

H

j

, a n d

̂

G

a

. P h y s i c a l

s t a t e s s h o u l d t h e n b e a n n i h i l a t e d b y t h e s e c o n s t r a i n t s .

T h e r e a r e , h o w e v e r , a n u m b e r o f s u b t l e t i e s t h a t w e n e e d t o a d d r e s s i n

o r d e r t o d o t h i n g s r i g h t . F i r s t t h e r e i s t h e f a c t t h a t t h e P l e b a n s k i f o r m a l i s m

m o s t n a t u r a l l y d e s c r i b e s c o m p l e x g e n e r a l r e l a t i v i t y , a n d n e e d s s o m e a d j u s t -

m e n t t o b e c o m e a t h e o r y o f h o n e s t r e a l - v a l u e d L o r e n t z i a n m e t r i c s . T h i s

3 1



i s s u e h a s b e e n a m u r k y o n e f o r s o m e t i m e , a n d o n l y n o w i s i t b e g i n n i n g t o

b e c o m e c l e a r . A t t h e c l a s s i c a l l e v e l o n e c a n s i m p l y i m p o s e e x t r a c o n s t r a i n t s

s a y i n g t h a t t h e m e t r i c i s L o r e n t z i a n . T h i s w o u l d n o t b e v e r y n i c e i n t h e

q u a n t u m t h e o r y , t h o u g h , b e c a u s e t h e w h o l e p o i n t o f t h e n e w v a r i a b l e s w a s

t o s i m p l i f y t h e c o n s t r a i n t s ! L u c k i l y i t a p p e a r s t h a t a t t h e q u a n t u m l e v e l w e

c a n d e a l w i t h t h e i s s u e i n q u i t e a d i e r e n t w a y , n a m e l y b y r e s t r i c t i n g o u r

a t t e n t i o n t o a s p a c e H L

2

( A

+

) o f h o l o m o r p h i c w a v e f u n c t i o n s o n A

+

. R a t h e r

t h a n r e a l l y e x p l a i n i n g t h i s h e r e , l e t u s m e r e l y n o t e t h a t i t i s c l o s e l y r e l a t e d

t o t h e B a r g m a n n - S e g a l f o r m u l a t i o n o f t h e q u a n t u m t h e o r y o f a p a r t i c l e o n

a l i n e 3 , 4 ] . T h e B a r g m a n n - S e g a l f o r m u l a t i o n m a k e s u s e o f a n i s o m o r p h i s m

b e t w e e n L

2

( R ) a n d t h e H i l b e r t s p a c e H L

2

( C ) c o n s i s t i n g o f h o l o m o r p h i c

f u n c t i o n s t h a t a r e s q u a r e - i n t e g r a b l e w i t h r e s p e c t t o a G a u s s i a n m e a s u r e . A

s i m i l a r t h e o r y f o r c o m p l e x L i e g r o u p s a n d t h e i r c o m p a c t r e a l f o r m s , d u e t o

H a l l 3 2 ] , g i v e s a n i s o m o r p h i s m b e t w e e n a H i l b e r t s p a c e H L

2

( S L ( 2 ; C ) ) a n d

t h e H i l b e r t s p a c e L

2

( S U ( 2 ) ) d e n e d u s i n g H a a r m e a s u r e . A g e n e r a l i z a t i o n

o f t h i s 8 ] g i v e s a n i s o m o r p h i s m , t h e ` c o h e r e n t s t a t e t r a n s f o r m ' , b e t w e e n a

H i l b e r t s p a c e H L

2

( A

+

) a n d t h e s p a c e L

2

( A ) , w h e r e A i s t h e s p a c e o f c o n -

n e c t i o n s o n a n S U ( 2 ) b u n d l e o v e r S . T h u s t h e t h e o r y d e s c r i b e d i n S e c t i o n 2

i s r e l e v a n t t o q u a n t u m g r a v i t y e v e n t h o u g h S L ( 2 ; C ) i s n o t c o m p a c t .

S e c o n d , t h e r e i s t h e i s s u e o f r i g o r o u s l y i n t e r p r e t i n g t h e c o n s t r a i n t s a n d

n d i n g s o l u t i o n s t o t h e m . W h e n w e t r y t o r e p l a c e t h e e l d s A a n d

~

E b y

̂

A a n d

̂

~

E i n f o r m u l a s ( 8 - 1 0 ) , w e r u n i n t o d i c u l t i e s . O n e p r o b l e m i s t h a t o p e r a t o r s

d o n o t c o m m u t e , s o d i e r e n t o r d e r i n g s o f t h e s a m e p o l y n o m i a l i n t h e c l a s s i c a l

e l d s c a n h a v e d i e r e n t m e a n i n g s a t t h e q u a n t u m l e v e l . T h e o r d e r i n g s g i v e n

h e r e s e e m b e s t w h e n o n e w a n t s o p e r a t o r s o n s o m e s p a c e o f f u n c t i o n s o n A

+

;

e l s e w h e r e o n e m a y s e e t h e o p p o s i t e o r d e r i n g s 1 2 ] , b u t t h a t i s t h e n a t u r a l

c o n s e q u e n c e o f w o r k i n g d u a l l y o n s o m e s p a c e o f g e n e r a l i z e d m e a s u r e s . A

m o r e p r o f o u n d p r o b l e m i s t h a t

̂

A a n d

̂

~

E a r e n o t r e a l l y o p e r a t o r - v a l u e d f u n c -

t i o n s , b u t o n l y o p e r a t o r - v a l u e d d i s t r i b u t i o n s | o n e m u s t i n t e g r a t e t h e m

a g a i n s t ` t e s t f u n c t i o n s ' ( r e a l l y b u n d l e s e c t i o n s ) t o o b t a i n o p e r a t o r s | a n d

l i k e o r d i n a r y d i s t r i b u t i o n s , t h e p r o d u c t o f o p e r a t o r - v a l u e d d i s t r i b u t i o n s i s

o n l y d e n e d u n d e r s p e c i a l c o n d i t i o n s , o r u s i n g s p e c i a l t r i c k s .

L u c k i l y , t h e G a u s s l a w c o n s t r a i n t a n d d i e o m o r p h i s m c o n s t r a i n t h a v e

s i m p l e g e o m e t r i c a l i n t e r p r e t a t i o n s w h i c h r e l i e v e u s o f t h e n e e d f o r m a k i n g

s e n s e o f t h e q u a n t u m a n a l o g s o f f o r m u l a s ( 8 ) a n d ( 9 ) . A t t h e c l a s s i c a l l e v e l ,

f u n c t i o n s o f t h e f o r m

R

S

X

a

G

a

g e n e r a t e a l l t h e o w s o n t h e p h a s e s p a c e T

A

3 2



t h a t c o r r e s p o n d t o t h e a c t i o n o f o n e - p a r a m e t e r g r o u p s o f g a u g e t r a n s f o r -

m a t i o n s o n T

A . S o a t t h e q u a n t u m l e v e l w e c a n i n t e r p r e t t h e G a u s s l a w

c o n s t r a i n t a s s a y i n g t h a t a s t a t e i s i n v a r i a n t u n d e r ` s m a l l ' g a u g e t r a n s f o r -

m a t i o n s , t h a t i s , t h o s e l y i n g i n t h e c o m p o n e n t o f G c o n t a i n i n g t h e i d e n t i t y .

O n e c a n s h o w t h a t a n y s t a t e 2 L

2

( A ) t h a t i s i n v a r i a n t u n d e r s m a l l g a u g e

t r a n s f o r m a t i o n s i s i n v a r i a n t u n d e r a l l g a u g e t r a n s f o r m a t i o n s . A s w e h a v e

s e e n , t h e r e i s a n a m p l e s u p p l y o f s u c h s t a t e s , a n d t h e s p a c e o f t h e s e , w h i c h

w e w r i t e a s L

2

( A = G ) , i s s p a n n e d b y s p i n n e t w o r k s t a t e s .

S i m i l a r l y , a n y f u n c t i o n o n p h a s e s p a c e o f t h e f o r m

R

S

N

i

H

i

g e n e r a t e s

a o w c o r r e s p o n d i n g t o t h e a c t i o n o f a o n e - p a r a m e t e r g r o u p o f d i e o m o r -

p h i s m s . T h u s a t t h e q u a n t u m l e v e l w e c a n i n t e r p r e t t h e d i e o m o r p h i s m

c o n s t r a i n t a s s a y i n g t h a t a s t a t e i s i n v a r i a n t u n d e r t h e g r o u p D i

0

( S ) o f

s m a l l a n a l y t i c d i e o m o r p h i s m s , t h a t i s , t h o s e l y i n g i n t h e c o n n e c t e d c o m p o -

n e n t c o n t a i n i n g t h e i d e n t i t y . H e r e w e r u n i n t o a p r o b l e m . I t i s e a s y t o s e e

t h a t t h e o n l y e l e m e n t o f F u n

0

( A ) i n v a r i a n t u n d e r D i

0

( S ) i s t h e f u n c t i o n 1 ;

a n y o t h e r c a n b e w r i t t e n a s i n e q u a t i o n ( 1 ) o n l y f o r s o m e n o n e m p t y g r a p h ,

a n d t h e n t h e r e i s a s m a l l d i e o m o r p h i s m t a k i n g i t t o s o m e o t h e r f u n c t i o n , i n

f a c t o n e o r t h o g o n a l t o i t i n L

2

( A ) . A s i m p l e a p p r o x i m a t i o n a r g u m e n t t h e n

s h o w s t h a t n o 2 L

2

( A ) e x c e p t = 1 i s i n v a r i a n t u n d e r D i

0

( S ) !

I n f a c t t h i s i s n o t a s b a d a s i t m a y s e e m . Q u i t e o f t e n i n t h e q u a n t i z a t i o n

o f s y s t e m s w i t h c o n s t r a i n t s , t h e p h y s i c a l s t a t e s a r e n o t r e a l l y v e c t o r s i n t h e

k i n e m a t i c a l s t a t e s p a c e , b u t o n l y v e c t o r s i n s o m e l a r g e r t o p o l o g i c a l v e c t o r

s p a c e h a v i n g t h e k i n e m a t i c a l s t a t e s p a c e a s a d e n s e s u b s p a c e . C o n s i d e r a

s i m p l e e x a m p l e : t h e p a r t i c l e o n t h e l i n e , r e g a r d e d a s a p a r t i c l e o n t h e p l a n e

w h o s e p o s i t i o n ( q

1

; q

2

) i s s u b j e c t t o t h e c o n s t r a i n t q

2

= 0 . N a i v e l y , o n e w o u l d

s t a r t w i t h t h e k i n e m a t i c a l s t a t e s p a c e L

2

( R

2

) a n d l o o k f o r s t a t e s s a t i s f y i n g

t h e c o n s t r a i n t ^ q

2

= 0 , i . e . ,

q

2

( q

1

; q

2

) = 0 :

T h e o n l y L

2

f u n c t i o n o n t h e p l a n e s a t i s f y i n g t h i s e q u a t i o n i s z e r o ! H o w e v e r ,

t h e r e a r e d i s t r i b u t i o n s o n t h e p l a n e s a t i s f y i n g t h i s e q u a t i o n . T h e s p a c e o f s u c h

s o l u t i o n s i s n o t i t s e l f a H i l b e r t s p a c e . H o w e v e r , i t h a s a s u b s p a c e i s o m o r p h i c

t o L

2

( R ) , g i v e n b y t h e d i s t r i b u t i o n s o f t h e f o r m ( q

1

) ( q

2

) . T h i s s u b s p a c e

i s c o r r e c t H i l b e r t s p a c e f o r t h e p a r t i c l e o n t h e l i n e .

S i m i l a r l y , w h i l e t h e r e a r e p r a c t i c a l l y n o s o l u t i o n s o f t h e d i e o m o r p h i s m

c o n s t r a i n t l i v i n g i n L

2

( A ) , t h e r e a r e p l e n t y o f ` d i s t r i b u t i o n a l ' o n e s . I n f a c t ,

3 3



t h e r e a r e p l e n t y o f g e n e r a l i z e d m e a s u r e s o n A i n v a r i a n t u n d e r s m a l l d i e o -

m o r p h i s m s o f S . T h e m o s t i n t e r e s t i n g o f t h e s e a r e t h e g a u g e - i n v a r i a n t o n e s ,

s i n c e w e w o u l d l i k e t o s o l v e t h e G a u s s l a w c o n s t r a i n t a s w e l l . N o t e t h a t t h e

t h e i n n e r p r o d u c t o n L

2

( A = G ) s e t s u p a c h a i n o f i n c l u s i o n s

F u n ( A = G ) L

2

( A = G ) F u n ( A = G )

;

w h e r e F u n ( A = G ) i s t h e g a u g e - i n v a r i a n t s u b s p a c e o f F u n ( A ) , a n d i t s B a n a c h

s p a c e d u a l F u n ( A = G )

m a y b e i d e n t i e d w i t h t h e s p a c e o f g a u g e - i n v a r i a n t

g e n e r a l i z e d m e a s u r e s o n A . T h e g r o u p D i

0

( S ) a c t s i n a c o n s i s t e n t w a y o n

a l l t h e s e s p a c e s . A n a t u r a l c a n d i d a t e f o r a s p a c e o f s i m u l t a n e o u s s o l u t i o n s

o f t h e G a u s s l a w a n d d i e o m o r p h i s m c o n s t r a i n t s i s t h e s p a c e

F u n ( A = G )

i n v

= f 2 F u n ( A = G )

: 8 g 2 D i

0

( S ) g = g :

T h i s s p a c e i s n o t i t s e l f a H i l b e r t s p a c e , b u t i t m a y h a v e s o m e s u b s p a c e d e s e r v -

i n g t o b e c a l l e d t h e ` H i l b e r t s p a c e o f d i e o m o r p h i s m - i n v a r i a n t s t a t e s ' . O n t h e

o t h e r h a n d , p e r h a p s t h e r e a r e p h y s i c a l l y r e l e v a n t d i e o m o r p h i s m - i n v a r i a n t

s t a t e s t h a t a r e n o t c o n t a i n e d i n F u n ( A = G )

, b u t o n l y i n s o m e s t i l l l a r g e r

s p a c e c o n t a i n i n g L

2

( A = G ) . A n e x a m p l e w o u l d b e t h e ` C h e r n - S i m o n s s t a t e ' .

T o u n d e r s t a n d t h e s e w o u l d r e q u i r e f u r t h e r s t u d y o f g e n e r a l i z e d f u n c t i o n s o n

A = G .

A n y w a y , a t l e a s t a g e n e r a l r e c i p e f o r n d i n g e l e m e n t s o f F u n ( A = G )

i n v

i s

k n o w n , a s a r e m a n y i n t e r e s t i n g e x a m p l e s 7 , 9 ] . A m o n g t h e m o s t i n t e r e s t i n g

a r e t h e ` k n o t s t a t e s ' , w h i c h a p p e a r e d a l r e a d y i n a n o n r i g o r o u s w a y i n t h e

p i o n e e r i n g w o r k o f R o v e l l i a n d S m o l i n 4 5 ] . T h e s e a r e m o s t e a s i l y d e s c r i b e d

u s i n g s p i n n e t w o r k s , a l t h o u g h t h e y w e r e n o t o r i g i n a l l y c o n s t r u c t e d t h a t w a y

4 ] . F i x a n i s o t o p y c l a s s C o f a n a l y t i c k n o t s a n d a n i r r e d u c i b l e u n i t a r y

r e p r e s e n t a t i o n o f S U ( 2 ) . T h i s d e t e r m i n e s a s e t S o f s p i n n e t w o r k s t a t e s ,

n a m e l y t h e W i l s o n l o o p s t r ( ( T e x p

R

A ) ) w i t h 2 C . S i n c e l i n e a r c o m b i n a -

t i o n s o f s p i n n e t w o r k s t a t e s a r e d e n s e i n F u n ( A = G ) , a n y g e n e r a l i z e d m e a s u r e

2 F u n ( A = G )

i s d e t e r m i n e d b y i t s v a l u e s o n s p i n n e t w o r k s t a t e s . W e d e n e

t h e k n o t s t a t e b y s e t t i n g ( ) = 1 i f 2 S a n d ( ) = 0 i f i s a s p i n

n e t w o r k s t a t e n o t i n S . O n e m u s t c h e c k , o f c o u r s e , t h a t i s a w e l l - d e n e d

g e n e r a l i z e d m e a s u r e , w h i c h i n v o l v e s p r o v i n g a c e r t a i n b o u n d . B y c o n s t r u c -

t i o n i s i n v a r i a n t u n d e r s m a l l d i e o m o r p h i s m s , s o w e h a v e 2 F u n ( A = G )

i n v

.

S i n c e a W i l s o n l o o p i s j u s t a s p e c i a l s o r t o f s p i n n e t w o r k , i t i s n a t u r a l

t o a s k i f t h i s p r o c e d u r e g e n e r a l i z e s t o y i e l d ` d i e o m o r p h i s m - i n v a r i a n t s p i n

3 4



n e t w o r k s t a t e s ' . T h e i d e a w o u l d b e t o u s e a n a r b i t r a r y i s o t o p y c l a s s o f

s p i n n e t w o r k s t o o b t a i n a s e t S o f s p i n n e t w o r k s t a t e s , a n d t o d e n e 2

F u n ( A = G )

i n v

b y s e t t i n g ( ) = 1 f o r 2 S a n d ( ) = 0 i f i s a s p i n

n e t w o r k s t a t e n o t i n S . T h e p r o b l e m i s s i m p l y t o p r o v e t h a t i s a w e l l -

d e n e d g e n e r a l i z e d m e a s u r e . T h i s s e e m s t o b e t r u e w h e n w e s t a r t w i t h a n

a m b i e n t i s o t o p y c l a s s o f l i n k s i n S l a b e l l e d w i t h r e p r e s e n t a t i o n s , b u t t h e

g e n e r a l s p i n n e t w o r k c a s e i s m o r e s u b t l e a n d s t i l l u n d e r i n v e s t i g a t i o n .

N o w l e t u s s a y a b i t a b o u t t h e H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t . T h i s i s p e r h a p s

t h e m o s t c o n t r o v e r s i a l a s p e c t o f t h e w h o l e s u b j e c t , a n d c e r t a i n l y o n e o f t h e

m o s t i m p o r t a n t o n e s : i f w e n d a w a y t o r i g o r o u s l y t r e a t t h e H a m i l t o n i a n

c o n s t r a i n t , w e w i l l b e q u i t e c l o s e t o a r i g o r o u s q u a n t i z a t i o n o f E i n s t e i n ' s

e q u a t i o n , b u t i f n o t , t h e w h o l e a p p r o a c h d e s c r i b e d h e r e m a y b e f u n d a m e n -

t a l l y a w e d , o r a t l e a s t i n n e e d o f v e r y n e w i d e a s . A l o t o f w o r k h a s b e e n

d o n e o n t h e H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t , w h i c h w e c a n n o t r e a l l y d o j u s t i c e t o

h e r e 1 5 , 1 6 , 1 7 , 2 0 , 3 0 , 3 4 ] . N a i v e l y , t h e p r o b l e m i s t o m a k e s e n s e o f

̂

H ( x ) = h

2

a b c

F

c

i j

( x )

@

@ A

i a

( x )

@

@ A

j b

( x )

a s a d i s t r i b u t i o n o n S t a k i n g v a l u e s i n o p e r a t o r s o n s o m e s p a c e o f h o l o m o r -

p h i c f u n c t i o n s o n A

+

. E v e n t u a l l y , h o w e v e r , w e w a n t t o n d s t a t e s t h a t a r e

a n n i h i l a t e d b y t h i s c o n s t r a i n t t o g e t h e r w i t h t h e G a u s s l a w a n d d i e o m o r -

p h i s m c o n s t r a i n t s . T h u s w e w o u l d b e p e r f e c t l y h a p p y i f w e c o u l d r s t u s e

t h e c o h e r e n t s t a t e t r a n s f o r m t o t r a n s f e r t h e c o n s t r a i n t t o L

2

( A ) , a n d t h e n

n d s o m e s u b s p a c e o f F u n ( A = G )

i n v

| o r s o m e r e l a t e d s p a c e o f s o l u t i o n s o f

t h e G a u s s l a w a n d d i e o m o r p h i s m c o n s t r a i n t s | t h a t w e c o u l d a r g u e w a s

a n n i h i l a t e d b y t h e H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t . T h e p r o b l e m i s t h a t , i n c o n s t r a s t

t o t h e G a u s s l a w a n d d i e o m o r p h i s m c o n s t r a i n t s , t h e r e i s n o e a s y g e o m e t r i -

c a l i n t e r p r e t a t i o n o f t h e H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t i n t e r m s o f c o n n e c t i o n s o n

S t o f a l l b a c k u p o n .

A t r s t i t m i g h t s e e m f o o l i s h t o e v e n h o p e f o r a s i m p l e g e o m e t r i c a l 3 -

d i m e n s i o n a l i n t e r p r e t a t i o n o f t h e H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t . A f t e r a l l , t h e

H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t e x p r e s s e s t h e 4 - d i m e n s i o n a l d i e o m o r p h i s m i n v a r i -

a n c e o f g e n e r a l r e l a t i v i t y ; o r i n o t h e r w o r d s , i t e n c o d e s t h e d y n a m i c s o f t h e

t h e o r y . I t i s a l l t h e m o r e t a n t a l i z i n g , t h e r e f o r e , t h a t t h e r e a r e s o m e h i n t s o f

s u c h a n i n t e r p r e t a t i o n . R o v e l l i a n d S m o l i n ' s d i s c o v e r y o f t h e s e w a s o n e o f

t h e e a r l y s u c c e s s e s o f t h e l o o p r e p r e s e n t a t i o n 4 5 ] , b u t m a k i n g t h e m p r e c i s e

h a s p r o v e d t o b e v e r y d i c u l t .

3 5



S t r i p p e d o f a l l n u a n c e , t h e o b s e r v a t i o n o f R o v e l l i a n d S m o l i n r e d u c e s t o

t h e f o l l o w i n g . G i v e n a k n o t i n S , t h e W i l s o n l o o p

( A ) = t r ( ( T e x p

Z

A ) )

i s a h o l o m o r p h i c f u n c t i o n o n A

+

. H e u r i s t i c a l l y s p e a k i n g , w h e n o n e a p p l i e s

t h e f u n c t i o n a l d e r i v a t i v e @ = @ A

a

i

( x ) t o o n e b r i n g s d o w n a f a c t o r o f t h e

t a n g e n t v e c t o r _

i

( t ) i f ( t ) = x . S o t h e d o u b l e f u n c t i o n a l d e r i v a t i v e i n

̂

H ( x )

b r i n g s d o w n a f a c t o r o f _

i

( t ) _

j

( t ) , w h i c h i s s y m m e t r i c i n i a n d j . S i n c e F

c

i j

i s a n t i s y m m e t r i c i n i a n d j , o n e o b t a i n s

̂

H ( x ) = 0 :

I n f a c t , w h e n o n e g o e s t h r o u g h t h e a r g u m e n t m o r e c a r e f u l l y o n e d i s c o v -

e r s t h a t t h e d o u b l e f u n c t i o n a l d e r i v a t i v e o f a W i l s o n l o o p i s v e r y s i n g u l a r ,

s o t h e r e s u l t

̂

H ( x ) = 0 i s a p u r e l y f o r m a l o n e u n l e s s o n e c a n d e v i s e s o m e

r e g u l a r i z a t i o n p r o c e d u r e t o m a k e t h e a r g u m e n t r i g o r o u s . T h i s h a s n o t y e t

b e e n a c h i e v e d . S t i l l , u p o n e x a m i n a t i o n , t h e a r g u m e n t s e e m s t o s u g g e s t a

3 - d i m e n s i o n a l g e o m e t r i c a l i n t e r p r e t a t i o n o f t h e H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t a s

s o m e k i n d o f ` s h i f t o p e r a t o r ' g e n e r a t i n g t h e m o t i o n o f a W i l s o n l o o p , o r

m o r e g e n e r a l l y t h e e d g e s o f a s p i n n e t w o r k , a l o n g i t s t a n g e n t v e c t o r s 4 5 ] .

F o r t h i s r e a s o n , m u c h e o r t h a s b e e n e x p e n d e d t o u n d e r s t a n d t h e a r g u m e n t

a n d n d a c o n t e x t i n w h i c h i t c a n b e m a d e r i g o r o u s . O n e w o u l d b e v e r y

h a p p y , f o r e x a m p l e , t o n d b y s o m e h e u r i s t i c a r g u m e n t a g e n e r a l f o r m u l a

f o r t h e a c t i o n o f t h e H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t o n s p i n n e t w o r k s t a t e s , o r p e r -

h a p s ` d i e o m o r p h i s m - i n v a r i a n t s p i n n e t w o r k s t a t e s ' , w h i c h o n e c o u l d t h e n

s u b s e q u e n t l y j u s t i f y b y m e a n s o f i t s g o o d p r o p e r t i e s .

I n s h o r t , q u a n t u m g r a v i t y c o n t i n u e s t o p r o v i d e m a t h e m a t i c a l p h y s i c s w i t h

c h a l l e n g i n g | i n d e e d q u i t e f r u s t r a t i n g | p r o b l e m s . H o w e v e r , l e t u s c o n -

c l u d e o n a m o r e u p b e a t n o t e ! E v e n a t t h e l e v e l o f t h e k i n e m a t i c a l s t a t e

s p a c e L

2

( A = G ) , t h e r e a r e s o m e v e r y i n t r i g u i n g a p p l i c a t i o n s o f s p i n n e t w o r k s

t o p h y s i c s . C l a s s i c a l l y , i n t h e m e t r i c r e p r e s e n t a t i o n a s t a t e o f g r a v i t y i s d e -

s c r i b e d b y t h e m e t r i c o n S a n d i t s r s t t i m e d e r i v a t i v e . W e c a n r e w r i t e

i n t e r e s t i n g f u n c t i o n s o f t h e m e t r i c i n t e r m s o f t h e n e w v a r i a b l e s , a n d t h e n

a t t e m p t t o q u a n t i z e t h e m b y r e p l a c i n g A a n d

~

E b y t h e i r q u a n t u m v e r s i o n s

i n t h e s e e x p r e s s i o n s , o b t a i n i n g o p e r a t o r s o n L

2

( A ) . T h e s e o p e r a t o r s s h o u l d

c o m m u t e w i t h t h e a c t i o n o f G , h e n c e g i v e r i s e t o o p e r a t o r s o n L

2

( A = G ) . A s

3 6



t h e e x a m p l e o f t h e H a m i l t o n i a n c o n s t r a i n t s h o w s , c a r r y i n g t h i s o u t i s b y n o

m e a n s s t r a i g h t f o r w a r d i n a l l c a s e s . H o w e v e r , R o v e l l i a n d S m o l i n 4 6 ] h a v e

c o n s i d e r e d t h e a r e a o f a s u r f a c e a n d t h e v o l u m e o f a r e g i o n i n S , w h i c h a r e

t e c h n i c a l l y s i m p l e r , a n d o b t a i n e d e x p l i c i t f o r m u l a s f o r t h e i r q u a n t u m v e r -

s i o n s a s o p e r a t o r s o n L

2

( A = G ) , i n t e r m s o f t h e s p i n n e t w o r k b a s i s . T h e s e

o p e r a t o r s t u r n o u t t o h a v e d i s c r e t e s p e c t r u m : c e r t a i n m u l t i p l e s o f P l a n c k

l e n g t h s q u a r e d f o r t h e a r e a o p e r a t o r , a n d c e r t a i n m u l t i p l e s o f t h e P l a n c k

l e n g t h c u b e d f o r t h e v o l u m e o p e r a t o r . I n q u a n t u m t h e o r y , t h e s p e c t r u m o f a

s e l f - a d j o i n t o p e r a t o r c o r r e s p o n d s t o t h e v a l u e s t h e c o r r e s p o n d i n g o b s e r v a b l e

c a n a s s u m e , s o t h i s i s a n i n d i c a t i o n t h a t a r e a a n d v o l u m e a r e ` q u a n t i z e d ' i n

t h e v e r y l i t e r a l s e n s e o f a s s u m i n g a d i s c r e t e s e t o f v a l u e s ! M o r e o v e r , t h e r e i s

a s i m p l e g e o m e t r i c a l r e a s o n f o r t h i s f a c t . T o s p e a k i n r a t h e r o v e r s i m p l i e d

t e r m s , t h e a r e a o p e r a t o r a p p l i e d t o a g i v e n s p i n n e t w o r k s t a t e c o u n t s t h e

n u m b e r o f p o i n t s a t w h i c h a n e d g e o f t h e s p i n n e t w o r k i n t e r s e c t s t h e s u r f a c e

i n q u e s t i o n , w e i g h t e d b y a f a c t o r o f

q

j ( j + 1 ) ̀

2

p

, w h e r e j i s t h e s p i n l a b e l l i n g

t h a t e d g e . S i m i l a r l y , t h e v o l u m e o p e r a t o r a p p l i e d t o a s p i n n e t w o r k s t a t e

c o u n t s t h e n u m b e r o f v e r t i c e s o f t h e s p i n n e t w o r k c o n t a i n e d i n t h e r e g i o n i n

q u e s t i o n , w e i g h t e d b y s o m e f u n c t i o n o f t h e i r l a b e l l i n g s b y i n t e r t w i n e r s a n d

t h e g e o m e t r y o f t h e i n c i d e n t e d g e s .

U n t i l w e h a v e a f u l l y w o r k i n g t h e o r y o f q u a n t u m g r a v i t y , a n d u n d e r -

s t a n d h o w t o t a k e t h e o t h e r f o r c e s i n a c c o u n t , i t i s d a n g e r o u s t o t a k e t o o

s e r i o u s l y a n y p h y s i c a l p r e d i c t i o n s a p a r t i a l t h e o r y m i g h t m a k e . M o r e o v e r ,

t h i s p r e d i c t i o n o f d i s c r e t e n e s s o f a r e a a n d v o l u m e a t t h e P l a n c k s c a l e i s a b -

s u r d l y h a r d t o t e s t w i t h p r e s e n t t e c h n o l o g y ! N o n e t h e l e s s , t h e i d e a t h a t t h e

m a r r i a g e o f E i n s t e i n ' s e q u a t i o n a n d q u a n t u m t h e o r y c o u l d m a k e s u c h a f a s -

c i n a t i n g p r e d i c t i o n s h o u l d s e r v e a s a k i n d o f i n s p i r a t i o n f o r m a t h e m a t i c i a n s

a n d p h y s i c i s t s w o r k i n g o n q u a n t u m g r a v i t y .

R e f e r e n c e s

1 ] A . A s h t e k a r , N e w H a m i l t o n i a n f o r m u l a t i o n o f g e n e r a l r e l a t i v i t y , P h y s .

R e v . D 3 6 1 5 8 7 - 1 6 0 2 .

2 ] A . A s h t e k a r a n d i n v i t e d c o n t r i b u t o r s , N e w P e r s p e c t i v e s i n C a n o n i c a l

G r a v i t y , B i b l i o p o l i s , N a p o l i , I t a l y , 1 9 8 8 . ( A v a i l a b l e t h r o u g h t h e A m e r -

3 7



2 6 ] B . D u r h u u s , H . J a k o b s e n a n d R . N e s t , T o p o l o g i c a l q u a n t u m e l d t h e o -

r i e s f r o m g e n e r a l i z e d 6 j - s y m b o l s , R e v . M a t h . P h y s . 5 ( 1 9 9 3 ) , 1 - 6 7 .

2 7 ] A . F i s c h e r a n d J . M a r s d e n , T h e i n i t i a l v a l u e p r o b l e m a n d t h e d y n a m i -

c a l f o r m u l a t i o n o f g e n e r a l r e l a t i v i t y , i n G e n e r a l R e l a t i v i t y , a n E i n s t e i n

C e n t e n a r y S u r v e y , e d s . S . H a w k i n g a n d W . I s r a e l , C a m b r i d g e U . P r e s s ,

C a m b r i d g e , 1 9 7 9 , p p . 1 3 8 - 2 1 1 .

2 8 ] T . F o x o n , S p i n n e t w o r k s , T u r a e v - V i r o t h e o r y a n d t h e l o o p r e p r e s e n t a -

t i o n , C l a s s . Q u a n . G r a v . 1 2 ( 1 9 9 5 ) , 9 5 1 - 9 6 4 .

2 9 ] D . F r e e d a n d K . U h l e n b e c k , I n s t a n t o n s a n d F o u r - M a n i f o l d s , S p r i n g e r -

V e r l a g , B e r l i n , 1 9 8 4 .

3 0 ] R . G a m b i n i , L o o p s p a c e r e p r e s e n t a t i o n o f q u a n t u m g e n e r a l r e l a t i v i t y

a n d t h e g r o u p o f l o o p s , P h y s . L e t t . B 2 5 5 ( 1 9 9 1 ) , 1 8 0 - 1 8 8 .

3 1 ] R . G a m b i n i a n d A . T r i a s , G a u g e d y n a m i c s i n t h e C - r e p r e s e n t a t i o n , N u c l .

P h y s . B 2 7 8 ( 1 9 8 6 ) , 4 3 6 - 4 4 8 .

3 2 ] B . H a l l , T h e S e g a l - B a r g m a n n c o h e r e n t s t a t e t r a n s f o r m f o r c o m p a c t L i e

g r o u p s , J o u r . F u n c t . A n a l y s i s 1 2 2 ( 1 9 9 4 ) , 1 0 3 - 1 5 1 .

3 3 ] C . I s h a m , C a n o n i c a l q u a n t u m g r a v i t y a n d t h e p r o b l e m o f t i m e , i n I n t e -

g r a l S y s t e m s , Q u a n t u m G r o u p s , a n d Q u a n t u m F i e l d T h e o r i e s , e d s . L .

A . I b o r t a n d M . A . R o d r i g u e z , K l u w e r , D o r d r e c h t , 1 9 9 3 , p p . 1 5 7 - 2 0 7 .

3 4 ] T . J a c o b s o n a n d L . S m o l i n , N o n p e r t u r b a t i v e q u a n t u m g e o m e t r i e s , N u c l .

P h y s . B 2 9 9 ( 1 9 8 8 ) 2 9 5 - 3 4 5 .

3 5 ] L . K a u m a n , K n o t s a n d P h y s i c s , W o r l d S c i e n t i c , S i n g a p o r e , 1 9 9 1 .

3 6 ] L . K a u m a n a n d S . L i n s , T e m p e r l e y - L i e b R e c o u p l i n g T h e o r y a n d I n -

v a r i a n t s o f 3 - M a n i f o l d s , P r i n c e t o n U . P r e s s , P r i n c e t o n , 1 9 9 4 .

3 7 ] J . L e w a n d o w s k i , T o p o l o g i c a l m e a s u r e a n d g r a p h - d i e r e n t i a l g e o m e t r y

o n t h e q u o t i e n t s p a c e o f c o n n e c t i o n s , I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f T h e o r e t -

i c a l P h y s i c s , 3 ( 1 9 9 4 ) 2 0 7 - 2 1 1 .

3 8 ] P . P e l d a n , A c t i o n s f o r g r a v i t y , w i t h g e n e r a l i z a t i o n s : a r e v i e w , C l a s s .

Q u a n . G r a v . 1 1 ( 1 9 9 4 ) , 1 0 8 7 - 1 1 3 2 .

4 0



3 9 ] R . P e n r o s e , A n g u l a r m o m e n t u m ; a n a p p r o a c h t o c o m b i n a t o r i a l s p a c e

t i m e , i n Q u a n t u m T h e o r y a n d B e y o n d , e d . T . B a s t i n , C a m b r i d g e U n i -

v e r s i t y P r e s s , C a m b r i d g e , 1 9 7 1 .

4 0 ] G . P o n z a n o a n d T . R e g g e , S e m i c l a s s i c a l l i m i t s o f R a c a h c o e c i e n t s , i n

S p e c t r o s c o p i c a n d G r o u p T h e o r e t i c a l M e t h o d s i n P h y s i c s , e d . F . B l o c h ,

W i l e y , N e w Y o r k , 1 9 6 8 .

4 1 ] J . P u l l i n , K n o t t h e o r y a n d q u a n t u m g r a v i t y : a p r i m e r , i n P r o c e e d i n g s

o f t h e V t h M e x i c a n S c h o o l o f P a r t i c l e s a n d F i e l d s , e d . J . L u c i o , W o r l d

S c i e n t i c , S i n g a p o r e , 1 9 9 3 .

4 2 ] N . R e s h e t i k h i n a n d V . T u r a e v , R i b b o n g r a p h s a n d t h e i r i n v a r i a n t s d e -

r i v e d f r o m q u a n t u m g r o u p s , C o m m . M a t h . P h y s . 1 2 7 ( 1 9 9 0 ) , 1 - 2 6 .

I n v a r i a n t s o f 3 - m a n i f o l d s v i a l i n k p o l y n o m i a l s a n d q u a n t u m g r o u p s , I n -

v e n t . M a t h . 1 0 3 ( 1 9 9 1 ) , 5 4 7 - 5 9 7 .

4 3 ] J . R o b e r t s , S k e i n t h e o r y a n d T u r a e v - V i r o i n v a r i a n t s , t o a p p e a r i n T o p o l -

o g y .

4 4 ] C . R o v e l l i , T h e b a s i s o f t h e P o n z a n o - R e g g e - T u r a e v - V i r o - O o g u r i m o d e l

i s t h e l o o p r e p r e s e n t a t i o n b a s i s , P h y s . R e v . D 4 8 ( 1 9 9 3 ) , 2 7 0 2 - 2 7 0 7 .

4 5 ] C . R o v e l l i a n d L . S m o l i n , L o o p r e p r e s e n t a t i o n f o r q u a n t u m g e n e r a l r e l -

a t i v i t y , N u c l . P h y s . B 3 3 1 ( 1 9 9 0 ) , 8 0 - 1 5 2 .

4 6 ] C . R o v e l l i a n d L . S m o l i n , D i s c r e t e n e s s o f a r e a a n d v o l u m e i n q u a n t u m

g r a v i t y , U n i v e r s i t y o f P i t t s b u r g h p r e p r i n t a v a i l a b l e a s g r - q c / 9 4 1 1 0 0 5 .

S p i n n e t w o r k s i n q u a n t u m g r a v i t y , U n i v e r s i t y o f P i t t s b u r g h p r e p r i n t .

4 7 ] V . T u r a e v a n d O . V i r o , S t a t e s u m i n v a r i a n t s o f 3 - m a n i f o l d s a n d q u a n t u m

6 j s y m b o l s , T o p o l o g y 3 1 ( 1 9 9 2 ) , 8 6 5 - 9 0 2 .

4 8 ] E . W i t t e n , Q u a n t u m e l d t h e o r y a n d t h e J o n e s p o l y n o m i a l , C o m m .

M a t h . P h y s . 1 2 1 ( 1 9 8 9 ) , 3 5 1 - 3 9 9 .

4 9 ] E . W i t t e n , 2 + 1 d i m e n s i o n a l g r a v i t y a s a n e x a c t l y s o l u b l e s y s t e m , N u c l .

P h y s . B 3 1 1 ( 1 9 8 8 ) 4 6 - 7 8 .

john c. baez- spin networks in nonperturbative quantum gravity

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