Strona głównaPytania → Dlaczego nie obserwujemy klasycznych wersji...

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.