Aplicação de fibrados e conexões de fibrados na física teórica

dc.contributor.advisor1Schmidtt, Fernando David Marmolejo
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7431492489687677
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-9797-8483
dc.contributor.authorRodrigues, Arthur Costa
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/5590872423912306
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0009-0008-6680-2045
dc.date.accessioned2025-03-25T18:51:04Z
dc.date.issued2025-02-25
dc.description.abstractThis work addresses the applications of fiber bundles and fiber bundle connections in theoretical physics, highlighting their relevance in the formulation of modern theories such as Gauge Theory, Dirac’s magnetic monopole, the Aharonov-Bohm effect, Yang-Mills theory, and instantons. Using concepts from differential geometry, such as fiber spaces, connections, curvature, and holonomy, we explore how these mathematical structures provide a unifying language for describing fundamental physical phenomena. Initially, we introduce fiber bundles as a generalization of Cartesian products, emphasizing their role in defining physical fields in curved spaces or those with nontrivial topologies. Connections are described as tools for transporting information along the bundle, establishing the parallel between covariant derivatives and local transformations in physical theories. Examples of tangent bundles and principal bundles are discussed as fundamental cases for applications in Physics. In Gauge Theory, fiber bundles provide the necessary formalism to describe fundamental interactions, such as electromagnetic, weak, and strong forces, using local symmetry groups. We explore Dirac’s magnetic monopole as a singular solution to Maxwell’s equations, whose existence is intrinsically linked to the topology of fiber bundles. The Aharonov-Bohm effect, in turn, demonstrates how connections can mediate physical effects in regions where local fields vanish, revealing the importance of the global properties of spacetime. We then move to Yang-Mills theory, which generalizes electromagnetism to non-Abelian symmetry groups, forming the foundation of the Standard Model of Particle Physics. In this theory, the curvatures of fiber bundles correspond to the forces associated with Gauge fields. We also discuss instantons, classical solutions of the Yang-Mills equations, which play a significant role in the description of quantum transitions and phenomena such as spontaneous symmetry breaking. Throughout this study, we emphasize how fiber bundles encapsulate information about the geometric structure of spacetime and enable an accurate description of phenomena involving topology, symmetry, and local interactions. This geometric formalism not only clarifies the relationship between mathematics and physics but also opens possibilities for developing more comprehensive and unifying theories in the future.eng
dc.description.resumoEste trabalho aborda as aplicações de fibrados e conexões de fibrados na Física Teórica, destacando sua relevância na formulação de teorias modernas como a Teoria de Gauge, o monopolo magnético de Dirac, o efeito Aharonov-Bohm, a teoria de Yang-Mills e os instantons. Utilizando conceitos da geometria diferencial, como espaços fibrados, conexões, curvatura e holonomia, exploramos como essas estruturas matemáticas oferecem uma linguagem unificadora para descrever fenômenos físicos fundamentais. Inicialmente, introduzimos os fibrados como uma generalização dos produtos cartesianos, enfatizando seu papel na definição de campos físicos em espaços curvos ou com topologias não triviais. As conexões são descritas como ferramentas para transportar informações ao longo do fibrado, estabelecendo o paralelo entre derivadas covariantes e transformações locais em teorias físicas. Exemplos de fibrados tangentes e fibrados principais. São discutidos como casos fundamentais para aplicações na Física. Na Teoria de Gauge, os fibrados fornecem o formalismo necessário para descrever interações fundamentais, como as forças eletromagnéticas, fracas e fortes, utilizando grupos de simetria locais. Exploramos o monopolo magnético de Dirac como uma solução singular da equação de Maxwell, cuja existência está intrinsecamente ligada à topologia dos fibrados. O efeito Aharonov-Bohm, por sua vez, demonstra como as conexões podem mediar efeitos físicos em regiões onde os campos locais são nulos, revelando a importância das propriedades globais do espaço-tempo. Avançamos para a teoria de Yang-Mills, que generaliza o eletromagnetismo para grupos de simetria não Abelianos, fundamentando o Modelo Padrão da Física de Partículas. Nesta teoria, as curvaturas dos fibrados correspondem às forças associadas aos campos de Gauge. Também discutimos os instantons, soluções clássicas das equações de Yang-Mills, que têm impacto significativo na descrição de transições quânticas e fenômenos como a quebra espontânea de simetria. Ao longo deste estudo, destacamos como os fibrados encapsulam informações sobre a estrutura geométrica do espaço-tempo e permitem a descrição precisa de fenômenos que envolvem topologia, simetria e interações locais. Este formalismo geométrico não só esclarece a relação entre matemática e física, mas também abre possibilidades para o desenvolvimento de teorias mais abrangentes e unificadoras no futuro.
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipId23/10690-6
dc.identifier.citationRODRIGUES, Arthur Costa. Aplicação de fibrados e conexões de fibrados na física teórica. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Física) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21662.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/21662
dc.identifier.urlhttps://bv.fapesp.br/pt/bolsas/212208/introducao-a-geometria-diferencial-variedades-geometria-riemanniana-e-fibrados/
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.courseFísica - F
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectGeometria diferencial
dc.subjectFisica
dc.subjectDIfferential geometryeng
dc.subjectPhysicseng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA::GEOMETRIA E TOPOLOGIA::GEOMETRIA DIFERENCIAL
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DAS PARTICULAS ELEMENTARES E CAMPOS::TEORIA GERAL DE PARTICULAS E CAMPOS
dc.titleAplicação de fibrados e conexões de fibrados na física teórica
dc.title.alternativeAplications of fiber bundles and fiber bundle connections in theoretical physicseng
dc.typeTCC

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