Кіріспе
Кеңістік-уақыт және ішкі симметриялардың тривиалдығына қатысты "жоқ" теоремасы. Теориялық физикада Колеман-Мандула теоремасы кеңістік-уақыт және ішкі симметриялардың тек тривиалды түрде ғана біріге алатындығын көрсететін "жоқ" теоремасы болып табылады. Бұл ішкі симметриялармен байланысты зарядтардың Лоренц скалярлары ретінде әрқашан түрленуі керек екенін білдіреді. Конформдық симметрия және суперсимметрия бұл теоремаға ерекше жағдайлар болып табылады. Теорема Сидни Колеман мен Джеффри Мандуланың есімдерімен аталады, олар 1967 жылы кеңістік-уақыт симметриясымен ішкі симметрияларды қалай біріктіруге болатынын зерттеген, күшейе түскен және жалпыланған "жоқ" теоремаларының нәтижесінде оны дәлелдеді. Суперсимметриялық жалпылау Хааг-Łopuszański-Sohnius теоремасы деп аталады.
In theoretical physics, the Coleman–Mandula theorem is a no go theorem stating that spacetime and internal symmetries can only combine in a trivial way. This means that the charges associated with internal symmetries must always transform as Lorentz scalars. Some notable exceptions to the no go theorem are conformal symmetry and supersymmetry. It is named after Sidney Coleman and Jeffrey Mandula who proved it in 1967 as the culmination of a series of increasingly generalized no go theorems investigating how internal symmetries can be combined with spacetime symmetries. The supersymmetric generalization is known as the Haag–Łopuszański–Sohnius theorem.
Тарих
1960 жылдардың басында сегіз жолмен байланысты жаһандық дәм симметриясы бірдей спинді адронның адрондық спектрін сәтті сипаттағаны көрсетілді. Бұл жаһандық симметрияны дәм мен спинді араластыратын үлкен симметрияға кеңейтуге ұмтылыс жасалды, бұл идея бұрын ядролық физикада 1937 жылы Юджин Вигнердің қарастырған симметриясына ұқсас еді. Бұл релятивистік емес модель әртүрлі спинді векторлық және псевдоскалярлық мезондарды 35 өлшемді мультиплетке біріктірді, сондай-ақ екі бариондық декуплетті 56 өлшемді мультиплетке біріктірді. Бұл адрондық спектрдің әртүрлі аспектілерін сипаттауда жетістікке жеткенімен, кванттық хромодинамика тұрғысынан қарағанда, бұл жетістік кварктар арасындағы күштің дәм мен спинге тәуелсіздігінің салдарынан туындады. Бұл релятивистік емес модельді толық релятивистік модельге жалпылауға көптеген әрекеттер жасалды, бірақ олардың барлығы сәтсіз аяқталды. Сол кезде әртүрлі массалы бөлшектердің бір мультиплетке жата алатындай симметрияның бар-жоғы да ашық мәселе болып тұрды. Мұндай симметрия мезондар мен бариондардағы массаның айырмашылығын түсіндіре алатын еді. Бірақ кейін ғана бұл ішкі дәм симметриясының бұзылуына себеп болатын жоғары, төмен және ерекше кварк массаларының салдары екені түсінілді. Осы екі себеп кеңістік-уақыт симметриясы мен ішкі симметрияны тривиальды емес жолмен біріктіру мүмкін емес екенін көрсету үшін бірқатар теоремаларға әкелді. Бірінші маңызды теореманы 1964 жылы Уильям МакГлинн дәлелдеді, ал 1965 жылы Лохлайн О'Райфертай оны жалпылады. Бұл күш-жігер 1967 жылы Сидни Коулман мен Джеффри Мандуланың ең жалпы теоремасымен аяқталды. Кейінгі жылдары бұл теоремаға көп көңіл бөлінбеді. Осының салдарынан, теорема суперсимметрияның ерте дамуында ешқандай рөл атқармады, оның орнына ол 1970 жылдардың басында екілік резонанс модельдерін зерттеуден пайда болды, бұл модельдер іс жүзінде жоғары теорияның алғышарты болды, емес, осы теореманы жеңуге жасалған тырысқандардан емес. Сол сияқты, Коулман-Мандула теоремасының суперсимметриялық жалпылауы болып табылатын Хааг–Łopuszański–Sohnius теоремасы 1975 жылы суперсимметрияны зерттеу жүргізілгеннен кейін дәлелденді.
Теорема
S матрицасымен сипатталатын және келесі шарттарды қанағаттандыратын теорияны қарастырайық. Егер теория кванттық өріс теориясымен сипатталса, соңғы техникалық талап қажет емес және теореманы кеңірек қолдану үшін ғана керек. Теореманың неге орындалуы керек екеніне қатысты кинематикалық аргументті Эдвард Виттен келтірді. Аргумент мынадай: Пуанкаре симметриясы эластикалық шашырауға өте күшті шектеу ретінде әсер етеді, тек шашырау бұрышы белгісіз болып қалады. Кез келген қосымша кеңістік-уақытқа тәуелді симметрия амплитудаларды артық анықтайды, оларды тек дискретті шашырау бұрыштарында ғана нөлден өзгеше етеді. Бұл шашырау бұрыштарының аналитиктік болуы туралы болжаммен келіспейтіндіктен, мұндай қосымша кеңістік-уақытқа тәуелді симметриялар қабылданбайды.
Конформальды симметрия
Теорема массасыз бөлшектер теориясына қолданылмайды, себебі олар кеңістік-уақытқа тәуелді қосымша симметрия ретінде конформдық симметрияға ие болуға мүмкіндік береді.
Кванттық топтар
Жергілікті емес симметриялары бар модельдер, егер олардың заряды көп бөлшектік күйлерге, бір бөлшектік күйлердің тензорлық көбейтіндісі ретінде әсер етпесе, теореманы орта жолға қояды. Мұндай орта жолға қою, сәйкес алгебра енді Лай алгебрасы болмағандықтан, теореманы болдырмау үшін кванттық топтық симметриялар үшін де кездеседі.
Басқа шектеулер
Поинкаре тобынан өзге кеңістік-уақыт симметриялары үшін, мысалы, де Ситтер фонындағы теориялар немесе Галилей инварианттығына ие релятивистік емес өріс теориялары үшін бұл теорема қолданылмайды. Бұл теорема дискретті симметриялар үшін де жарамсыз, себебі олар Лай топтары емес, сондай-ақ спонтанды түрде бұзылған симметриялар үшін де жарамсыз, өйткені олар S-матрица деңгейінде әрекет етпейді және демек, S-матрицамен коммутацияламайды.