Введение
Теорема о невозможности реализации, касающаяся тривиальности пространства-времени и внутренних симметрий.
В теоретической физике теорема Колемана — Мандулы является теоремой о невозможности реализации, утверждающей, что симметрии пространства-времени и внутренние симметрии могут комбинироваться только тривиальным образом. Это означает, что заряды, связанные с внутренними симметриями, всегда должны преобразовываться как лоренцевы скаляры. Заметными исключениями из этой теоремы являются конформная симметрия и суперсимметрия. Теорема названа в честь Сидни Колемана и Джеффри Мандулы, которые доказали её в 1967 году, завершив серию всё более обобщённых теорем о невозможности реализации, исследующих, каким образом внутренние симметрии могут быть объединены с симметриями пространства-времени. Суперсимметричное обобщение известно как теорема Хаага — Łopuszański — Зонниуса.
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.
История
В начале 1960-х годов глобальная симметрия ароматов, связанная с восьмикратным путем, успешно описывала адронный спектр для адронов с одинаковым спином. Это привело к попыткам расширить глобальную симметрию до большей, смешивающей аромат и спин – идея, аналогичная той, что ранее рассматривал в ядерной физике Юджин Вигнер в 1937 году для симметрии. Эта нерелятивистская модель объединила векторные и псевдоскалярные мезоны с различным спином в 35-мерный мультиплет, а также объединила два барионных декуплета в 56-мерный мультиплет. Хотя это было достаточно успешно в описании различных аспектов адронного спектра, с точки зрения квантовой хромодинамики этот успех является лишь следствием независимости взаимодействия между кварками от их аромата и спина. Было предпринято множество попыток обобщить эту нерелятивистскую модель до полностью релятивистской, но все они оказались безуспешными. В то время оставался открытым вопрос о существовании симметрии, для которой частицы с разными массами могли бы принадлежать к одному и тому же мультиплету. Такая симметрия могла бы объяснить расщепление масс, наблюдаемое в мезонах и барионах. Лишь позже стало понятно, что это является следствием различных масс верхнего, нижнего и странного кварков, что приводит к нарушению внутренней симметрии ароматов. Эти два мотива привели к серии теорем о невозможности, демонстрирующих, что пространственно-временные и внутренние симметрии не могут быть объединены нетривиальным образом. Первая значимая теорема была доказана Уильямом МакГлинном в 1964 году, а затем обобщена Лохлайнном О’Райфертай в 1965 году. Эти усилия завершились наиболее общей теоремой, сформулированной Сидни Коулманом и Джеффри Мандулой в 1967 году. В последующие годы эта теорема не привлекала особого внимания. В результате она не сыграла никакой роли в раннем развитии суперсимметрии, которая вместо этого возникла в начале 1970-х годов из изучения моделей двойной резонансной спектроскопии – предшественников теории струн, а не из попыток преодолеть теорему о невозможности. Аналогично, теорема Хаага — Łopuszański — Соньюса, суперсимметричное обобщение теоремы Коулмана — Мандулы, была доказана в 1975 году, после того как исследования в области суперсимметрии уже были начаты.
Теорема
Рассмотрим теорию, которая может быть описана S-матрицей и удовлетворяет следующим условиям. Последнее техническое предположение необязательно, если теория описывается квантовой теорией поля, и требуется только для применения теоремы в более широком контексте. Эдвард Виттен привёл кинематический аргумент в пользу справедливости теоремы. Этот аргумент заключается в том, что симметрия Пуанкаре накладывает очень сильное ограничение на эластичное рассеяние, оставляя неизвестным лишь угол рассеяния. Любая дополнительная симметрия, зависящая от пространства-времени, чрезмерно определит амплитуды, делая их ненулевыми только при дискретных углах рассеяния. Поскольку это противоречит предположению об аналитичности углов рассеяния, такие дополнительные симметрии, зависящие от пространства-времени, исключаются.
Конформная симметрия
Теорема неприменима к теории безмассовых частиц, поскольку они допускают конформную симметрию как дополнительную симметрию, зависящую от пространства-времени.
Квантовые группы
Модели с нелокальными симметриями, заряды которых не действуют на многочастичные состояния так, как если бы это было тензорное произведение состояний отдельных частиц, избегают действия теоремы. Подобное избежание встречается в более общем виде для симметрий квантовых групп, которые избегают теоремы, поскольку соответствующая алгебра перестаёт быть алгеброй Ли.
Другие ограничения
Для других пространственно-временных симметрий, помимо группы Пуанкаре, таких как теории на фоне де Ситтера или нерелятивистские теории поля с галилеевой инвариантностью, эта теорема перестает выполняться. Она также не применима к дискретным симметриям, поскольку они не являются группами Ли, и к спонтанно нарушенным симметриям, так как они не действуют на уровне S-матрицы и, следовательно, не коммутируют с ней.