Теория Янга — Миллса

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Квантовая теория Янга — Миллса»)
Перейти к навигации Перейти к поиску
Задачи тысячелетия

Тео́рия Я́нга — Ми́ллса — калибровочная теория с неабелевой калибровочной группой. Калибровочные поля в этой теории называются полями Янга — Миллса. Такие теории были предложены в 1954 году Чжэньином Янгом и Робертом Миллсом[1], и первое время рассматривались лишь как математические поиски, не имеющие отношения к реальности[2]. Однако в 1960—1970-х годах на основе теорий Янга — Миллса были созданы две краеугольные теории стандартной модели в физике элементарных частиц: квантовая хромодинамика (теория сильных взаимодействий) на основе группы SU(3) и теория электрослабых взаимодействий на основе групп SU(2)×U(1).

Характерные свойства[править | править код]

Неабелевость группы означает, что поля-переносчики взаимодействий Янга — Миллса могут взаимодействовать сами с собой и друг с другом. Это влечёт за собой то, что уравнения, описывающие эволюцию полей Янга — Миллса, являются нелинейными (в противоположность линейным уравнениям Максвелла, отвечающим абелевой теории). Можно также сказать, что для полей Янга — Миллса не выполняется принцип суперпозиции.

Кванты полей Янга — Миллса являются векторными частицами (то есть бозонами со спином 1) и обладают нулевой массой. Однако с помощью механизма спонтанного нарушения симметрии физические поля Янга — Миллса могут приобретать ненулевую массу.

Нелинейность уравнений Янга — Миллса делает их очень сложными для решения. В режиме малой константы связи эти уравнения удаётся решить приближённо в виде ряда теории возмущений, однако как решить эти уравнения в режиме сильной связи, пока неизвестно. Неизвестно также, как именно эта нелинейность приводит к наблюдаемому в нашем мире конфайнменту в сильных взаимодействиях. Проблема решения уравнений Янга — Миллса в общем случае является одной из семи математических «Проблем тысячелетия», за решение любой из которых Математический институт Клэя[3] присудит премию в 1 миллион долларов США.

Математика[править | править код]

Теории Янга — Миллса — частный пример калибровочной теории поля с неабелевой группой калибровочной симметрии. Лагранжиан свободного поля Янга — Миллса таких теорий имеет определённый вид

где  — 2-форма напряжённости поля Янга — Миллса, остающаяся инвариантной при воздействии на тензор-потенциал калибровочной группы:

где под понимается ковариантная производная в пространстве-времени, в пространстве Минковского в галилеевых координатах сводящаяся к обычной частной производной.

Порождающие алгебры Ли калибровочной группы удовлетворяют соотношению

,

где называются структурными константами группы.

Ковариантные (иногда называемые удлинёнными) производные полей, взаимодействующих через поля Янга — Миллса данной теории, определены как:

,

где  — единичный оператор, а  — это константа взаимодействия. В четырёхмерном пространстве-времени константа взаимодействия  — это безразмерная величина. Для групп .

Вышеприведённое определение может быть получено исходя из коммутатора:

.

Само поле Янга — Миллса оказывается при этом самодействующим, а получающиеся уравнения движения:

называются полулинейными. В случае малой константы связи в данной теории применима теория возмущений.

Переход между «верхним» («контравариантным») и «нижним» («ковариантным») векторными или тензорными компонентами тривиальны для групповых латинских индексов (например, , в групповом пространстве введена евклидова метрика), но нетривиальны для пространственно-временных греческих индексов, которые жонглируются метрикой пространства-времени, в простейшем случае — обычной метрикой Минковского .

С введением уравнения движения можно переписать так:

Так как  — 2-форма, то выполняется тождество Бьянки:

.

Источник входит в уравнения движения как:

.

(Токи тоже должны правильно меняться при калибровочных преобразованиях.)

В измерениях пространства-времени поле масштабируется как и, таким образом, взаимодействие должно иметь размерность . Это означает, что теории Янга — Миллса не перенормируемы для размерностей пространства-времени больше, чем четыре (см. также Антропный принцип). Кроме того, для константа связи безразмерна, а поле и квадрат константы взаимодействия имеют одинаковые размерности с полем и константой взаимодействия теории скалярного безмассового поля с самодействием . Таким образом, эти теории имеют одинаковую масштабную инвариантность на классическом уровне.

Примечания[править | править код]

  1. C. N. Yang, R. Mills. Conservation of Isotopic Spin and Isotopic Gauge Invariance (англ.) // Physical Review : journal. — 1954. — Vol. 96, no. 1. — P. 191—195. — doi:10.1103/PhysRev.96.191.
  2. См. Предисловие в книге Девитт Б. С. Динамическая теория групп и полей: Пер. с англ. / Под ред. Г. А. Вилковыского. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. — 1987. — 288 с.
    репринтное переиздание: Череповец: Меркурий-пресс, 2000. ISBN 5-11-480064-7.
  3. Clay Mathematics Institute. Дата обращения: 22 мая 2004. Архивировано 29 октября 2017 года.

Литература[править | править код]

  • Янг, Ч., Миллс Р. Сохранение изотопического спина и изотопическая калибровочная инвариантность // Элементарные частицы и компенсирующие поля / под ред. Д. Иваненко. — М.: Мир, 1964. — С. 28—38.
  • Славнов, А. А., Фаддеев Л. Д. Введение в квантовую теорию калибровочных полей. — М. : Наука, 1978. — С. 240.

Ссылки[править | править код]