Dlaczego nie obserwujemy klasycznych wersji teorii oddziaływań słabych oraz QCD?

Pytanie

Pyta Sebastian

Dlaczego nie obserwujemy klasycznych wersji teorii oddziaływań słabych oraz QCD, tak jak ma to miejsce z elektrodynamiką?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Wszystkie te trzy teorie mają bardzo podobną strukturę jeśli chodzi o postulaty, ale pozornie niewielkie różnice między nimi okazują się mieć bardzo głębokie konsekwencje fizyczne. Elektrodynamika klasyczna opisuje z dobrym przybliżeniem takie stany kwantowe, w których występuje bardzo wiele koherentnych wzbudzeń pola fotonowego. Foton jest cząstką bezmasową i stabilną, więc stan o bardzo wielu wzbudzeniach jest stanem trwałym, i nie musi mieć bardzo dużej energii.

W teorii oddziaływań słabych odpowiednikami fotonu są bozony W i Z. Mają one duże masy ze względu na mechanizm Higgsa, a ponadto są cząstkami niestabilnymi — rozpadają się na pary kwarków lub leptonów. To uniemożliwia utworzenie długo żyjącego stanu koherentnego bardzo wielu wzbudzeń pola, który byłby opisywalny klasycznie. Interesujące jest wyobrażenie sobie świata, w którym nie ma kwarków i leptonów, a są tylko fotony, bozony W i Z, oraz bozony Higgsa. W takim świecie bozon W byłby stabilny, i teoretycznie istniałyby takie stany pola W, które przypominałyby falę klasyczną. Miałyby one jednak ogromną energię ze względu na dużą masę bozonu W.

W teorii oddziaływań silnych odpowiednikiem fotonu jest gluon. Jest on bezmasowy i stabilny, więc na pierwszy rzut oka wydawałoby się, że powinno być podobieństwo do elektrodynamiki. Jednak zjawisko uwięzienia kwarków i gluonów w stanach związanych (wynikające z tzw. nieabelowej natury QCD) bardzo zmienia własności tej teorii w porównaniu z elektrodynamiką. Jedynym stabilnym stanem związanym jest masywny proton, który jest cząstką o statystyce Fermiego, więc nie istnieje dla niego granica klasyczna w postaci klasycznej teorii pola. Gdyby nie istniały oddziaływania słabe, również naładowane mezony $\pi$ (piony) byłyby cząstkami stabilnymi. W granicy bezmasowych kwarków (możliwej teoretycznie) piony byłyby bezmasowe, i wtedy występowałyby stany kwantowe dobrze opisywane przez klasyczną teorię pola.