home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / physics / 12866 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-08-14  |  6.0 KB  |  113 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!sun-barr!cs.utexas.edu!usc!sol.ctr.columbia.edu!eff!snorkelwacker.mit.edu!galois!zermelo!jbaez
  3. From: jbaez@zermelo.mit.edu (John C. Baez)
  4. Subject: Re: Symmetries, groups, and categories
  5. Message-ID: <1992Aug14.195651.22652@galois.mit.edu>
  6. Sender: news@galois.mit.edu
  7. Nntp-Posting-Host: zermelo
  8. Organization: MIT Department of Mathematics, Cambridge, MA
  9. References: <1992Aug13.122004.19299@nuscc.nus.sg> <1992Aug13.182411.11593@galois.mit.edu> <4537@news.duke.edu>
  10. Date: Fri, 14 Aug 92 19:56:51 GMT
  11. Lines: 100
  12.  
  13. In article <4537@news.duke.edu> dmrrsn@math.duke.edu (David R. Morrison) writes:
  14. >In article <1992Aug13.182411.11593@galois.mit.edu> jbaez@riesz.mit.edu (John C. Baez) writes:
  15. >>(In practice various sneaky things - infrared slavery and Higgses -
  16. >>conspire to cloak the conformal invariance of the fields in these
  17. >>cases, so the practiclal relevance of conformal symmetry is limited.)
  18.  
  19. >OK, John, I'll bite:  what's "infrared slavery"?
  20.  
  21. I will give a brief explanation since probably someone else can give a
  22. better one.  The strong force so important in nuclei is explained in the
  23. standard model as being due to the exchange of gluons.  Gluons are
  24. vector bosons for a gauge field theory with gauge group SU(3), so-called
  25. "chromodynamics".  As a gauge field they would classically satisfy the
  26. Yang-Mills equations, which are conformally invariant.  But we never see
  27. free gluons zipping through empty space like photons, so it's hard to
  28. notice the conformal invariance of the Yang-Mills equations.  Why do we
  29. never see free gluons?  They call it "infrared slavery".  Quantum
  30. effects SEEM to ensure that in SU(3) gauge theory one will never find a
  31. free "colored" particle, that is, one which carries the SU(3) charge.
  32. That's the "explanation" for why we never see quarks.  But since
  33. chromodynamics is a nonabelian gauge theory (the group SU(3) is
  34. nonabelian) the gauge fields are themselves charged.  (Unlike photons
  35. which are uncharged and arise from an abelian theory, with gauge group
  36. U(1).)  So we never see free gluons either.  We just see mesons and
  37. baryons, which are colorless (=zero net charge) composites of quarks and
  38. gluons.  
  39.  
  40. Why is infrared slavery - or "confinement" - a consequence of SU(3)
  41. quantum gauge field theory?  This is one of those funny things due to
  42. renormalization that nobody quite understands yet.  (Many people
  43. understand it better than me, though.)  There is no "proof" of
  44. confinement, indeed for mathematical physicists this would be the holy
  45. grail of constructive quantum field theory.  There are numerical
  46. calculations that seem to show that confinement occurs when you
  47. simulate chromodynamics.  In any event, the crude story they always tell
  48. beginners is that colored particles in chromodynamics attract each other
  49. with a force that is *independent of distance*, as opposed to the
  50. good-old inverse square law.  This is because the gluons carrying the
  51. force tend to form a "string" joining the two particles, rather than
  52. radiating out in all directions like photons do.  (Why?  Well, that's
  53. confinement.  :-))  So to pull apart the quark-antiquark pair in a meson
  54. requires an energy proportional to how far you've pulled them apart,
  55. like sticky taffy.  :-)  Past a certain point the energy is enough so
  56. that it takes less energy just to create a new quark-antiquark pair:
  57.  
  58.                   quark----------antiquark
  59.  
  60. becomes
  61.  
  62.             quark---antiquark  quark---antiquark
  63.  
  64. So we never see lone quarks (or gluons).
  65.  
  66. A better explanation involves an effective action for the gluon fields
  67. that one gets by doing renormalization theory, but this is technical and
  68. I forget enough details so that I don't dare trying to run through it.
  69.  
  70. I should warn the reader of various cool possibilities, such as
  71. "glueballs" colorless composites made solely of gluons -- which have not
  72. been observed, but could (for all of our lousy understanding of
  73. chromodynamics) possibly exist.   Also, at very high relative momenta,
  74. i.e. at very short distance scales, quarks and gluons ARE approximated
  75. well by free particles.  This is so-called "asymptotic freedom" - the
  76. opposite of "infrared slavery".  Some experimentalist can remind us when
  77. they first found evidence for this, which was a big boost for Feynman's
  78. "parton" model.
  79.  
  80. Another cool thing is that superdense superheated plasmas of baryons and
  81. mesons can get so hot that the quarks become effectively free... I think
  82. Scott is working on torturing particles in this manner.
  83.  
  84. >>We can think of this as a spacetime where two 1-dimensional circular
  85. >>universes collide and form one!  Or we can think of it as a tubular
  86. >>Feynman diagram.  Weird, huh?  
  87. >
  88. >Gee, John, I hate to point this out but the tubular Feynman diagram
  89. >interpretation leads to string theory!  I'm happy with it, being a 
  90. >string theory fan myself, but from you...?
  91.  
  92. I should make clear that there are only certain things about string
  93. theory that bug me, aside from the fact that people make such a big deal
  94. about it.  One is that traditionally it has treated strings wiggling
  95. around in a background spacetime with a given metric.  (So that the
  96. tubular Feynman diagrams are really surfaces IN, say, Minkowski space or
  97. some 26-dimensional analog thereof.)  This is rather unfortunate if one
  98. is advocating string theory as an explanation of gravity, since in
  99. gravity it is the dynamics of the metric one is trying to explain!
  100. Writing string field actions that depend on a background metric sounds
  101. awfully like trying to do quantum gravity perturbing around a flat
  102. background metric.  Maybe a string fan can say what the current state of
  103. the art is.
  104.  
  105. In any event, in 2d TQFTs the tubular Feynman diagrams just represent
  106. the 2d spacetime itself, not the worldsheet of a string floating around
  107. "in" some spacetime.  But there are many mathematical relationships
  108. between string theory and TQFTs and that's why these days I think there
  109. is something to some of the *math* of string theory.  Also in the loop
  110. representation of quantum gravity one quickly runs into Chern-Simons
  111. theory, Wess-Zumino-Witten models, fusion rules and other pieces of
  112. jargon invented by string theorists.
  113.