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.

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.