Единая теория поля

В физике единая теория поля ( UFT ) — это тип теории поля , который позволяет все, что обычно считается фундаментальными силами и элементарными частицами , быть записано в терминах пары физического и виртуального полей. Согласно современным открытиям в физике, силы не передаются напрямую между взаимодействующими объектами, а вместо этого описываются и интерпретируются промежуточными сущностями, называемыми полями .

Однако двойственность полей объединяется в единое физическое поле. ^[1] На протяжении более столетия единая теория поля оставалась открытым направлением исследований. Этот термин был придуман Альбертом Эйнштейном . ^[2] который попытался объединить свою общую теорию относительности с электромагнетизмом . « Теория всего » ^[3] и теория Великого Объединения ^[4] тесно связаны с единой теорией поля, но отличаются тем, что не требуют, чтобы основой природы были поля, и часто пытаются объяснить физические константы природы . Более ранние попытки, основанные на классической физике, описаны в статье о классических единых теориях поля .

Цель создания единой теории поля привела к значительному прогрессу будущей теоретической физики , и этот прогресс продолжается. ^{[ нужна ссылка ]}

Введение

Силы

Все четыре известные фундаментальные силы опосредованы полями, которые в Стандартной модели физики элементарных частиц возникают в результате обмена калибровочными бозонами . В частности, следует объединить четыре фундаментальных взаимодействия:

Сильное взаимодействие : взаимодействие, ответственное за удержание вместе кварков с образованием адронов , а также за удержание вместе нейтронов и протонов с образованием атомных ядер . Обменной частицей, опосредующей эту силу, является глюон .
Электромагнитное взаимодействие : знакомое взаимодействие, которое действует на электрически заряженные частицы. Фотон . является обменной частицей для этой силы
Слабое взаимодействие : короткодействующее взаимодействие, ответственное за некоторые формы радиоактивности , которое действует на электроны , нейтрино и кварки. Его опосредуют W- и Z-бозоны .
Гравитационное взаимодействие : дальнодействующее притягивающее взаимодействие, действующее на все частицы. Постулированная обменная частица была названа гравитоном .

Современная единая теория поля пытается объединить эти четыре силы и материю в единую структуру.

История

Классическая теория

Первая успешная классическая единая теория поля была разработана Джеймсом Клерком Максвеллом . В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрические токи действуют на магниты , а в 1831 году Майкл Фарадей сделал наблюдение, что изменяющиеся во времени магнитные поля могут индуцировать электрические токи. До тех пор электричество и магнетизм считались несвязанными явлениями. В 1864 году Максвелл опубликовал свою знаменитую работу по динамической теории электромагнитного поля . Это был первый пример теории, которая смогла объединить ранее отдельные теории поля (а именно, электричества и магнетизма) и создать объединяющую теорию электромагнетизма. К 1905 году Альберт Эйнштейн использовал постоянство скорости света в теории Максвелла, чтобы объединить наши представления о пространстве и времени в единую сущность, которую мы теперь называем пространством-временем , а в 1915 году он расширил эту специальную теорию относительности до описания гравитации, общей теории относительности. , используя поле для описания искривленной геометрии четырехмерного пространства-времени.

В годы, прошедшие после создания общей теории, большое количество физиков и математиков с энтузиазмом участвовали в попытках объединить известные тогда фундаментальные взаимодействия. ^[5] Учитывая более поздние разработки в этой области, особый интерес представляют теории Германа Вейля 1919 года, который ввел концепцию (электромагнитного) калибровочного поля в классическую теорию поля. ^[6] а два года спустя — Теодора Калуцы , который расширил общую теорию относительности до пяти измерений . ^[7] четвертое пространственное измерение Продолжая двигаться в этом последнем направлении, Оскар Кляйн в 1926 году предложил свернуть в небольшой, ненаблюдаемый круг. В теории Калуцы-Клейна гравитационная кривизна дополнительного пространственного направления ведет себя как дополнительная сила, аналогичная электромагнетизму. Эти и другие модели электромагнетизма и гравитации развивались Альбертом Эйнштейном в его попытках создать классическую единую теорию поля . К 1930 году Эйнштейн уже рассматривал систему Эйнштейна-Максвелла-Дирака [Донген]. Эта система является (эвристически) суперклассическим [Варадараджанским] пределом (не совсем математически четко определенной) квантовой электродинамики . Можно расширить эту систему, включив в нее слабые и сильные ядерные взаимодействия, чтобы получить систему Эйнштейна-Янга-Миллса-Дирака. Французский физик Мария-Антуанетта Тоннела опубликовала в начале 1940-х годов статью о стандартных коммутационных соотношениях для квантованного поля со спином 2. Она продолжила эту работу в сотрудничестве с Эрвином Шрёдингером после Второй мировой войны. . В 1960-е годы Мендель Сакс предложил общековариантную теорию поля, не требующую обращения к теории перенормировки или теории возмущений. В 1965 году Тоннелат опубликовал книгу о состоянии исследований единых теорий поля.

Современный прогресс

В 1963 году американский физик Шелдон Глэшоу предположил, что слабое ядерное взаимодействие , электричество и магнетизм могут возникнуть из частично единой электрослабой теории . В 1967 году пакистанец Абдус Салам и американец Стивен Вайнберг независимо пересмотрели теорию Глэшоу, предположив, что массы частиц W и Z возникают в результате спонтанного нарушения симметрии с помощью механизма Хиггса . Эта единая теория моделировала электрослабое взаимодействие как силу, опосредованную четырьмя частицами: фотоном для электромагнитного аспекта, нейтральной частицей Z и двумя заряженными частицами W для слабого аспекта. В результате спонтанного нарушения симметрии слабое взаимодействие становится короткодействующим, а W- и Z-бозоны приобретают массы 80,4 и 91,2 ГэВ/с. ², соответственно. Их теория впервые получила экспериментальное подтверждение после открытия слабых нейтральных токов в 1973 году. В 1983 году Z- и W-бозоны были впервые получены в ЦЕРНе командой Карло Руббиа . За свои открытия Глэшоу, Салам и Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в 1979 году. Карло Руббиа и Саймон ван дер Меер получили премию в 1984 году.

После того, как Герардус 'т Хофт показал математически непротиворечивость электрослабых взаимодействий Глэшоу-Вайнберга-Салама, электрослабая теория стала образцом для дальнейших попыток объединения сил. В 1974 году Шелдон Глэшоу и Говард Джорджи предложили объединить сильные и электрослабые взаимодействия в модель Джорджи-Глэшоу , первую теорию Великого объединения , которая будет иметь наблюдаемые эффекты для энергий намного выше 100 ГэВ.

С тех пор было предложено несколько теорий Великого Объединения, например, модель Пати-Салама , хотя ни одно из них в настоящее время не является общепринятым. Основной проблемой для экспериментальной проверки таких теорий является масштаб энергии, который находится далеко за пределами досягаемости современных ускорителей . Теории Великого Объединения предсказывают относительную силу сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий, а в 1991 году LEP определила, что суперсимметричные теории имеют правильное соотношение связей для Теории Великого Объединения Джорджи-Глэшоу.

Многие Теории Великого Объединения (но не Пати-Салама) предсказывают, что протон может распадаться , и если бы это удалось увидеть, детали продуктов распада могли бы дать намек на другие аспекты Теории Великого Объединения. В настоящее время неизвестно, может ли протон распасться, хотя эксперименты определили нижнюю границу в 10 ³⁵ лет за свою жизнь.

Текущий статус

Физики-теоретики еще не сформулировали широко признанную и последовательную теорию, которая сочетала бы общую теорию относительности и квантовую механику , образуя теорию всего . Попытка объединить гравитон с сильными и электрослабыми взаимодействиями приводит к фундаментальным трудностям, и полученная теория не поддается перенормировке . Несовместимость двух теорий остается нерешенной проблемой в области физики.

См. также

Ссылки

^ Эрнан Макмаллин (2002). «Истоки концепции поля в физике» (PDF) . Физ. Перспектива . 4 (1): 13–39. Бибкод : 2002PhP.....4...13M . дои : 10.1007/s00016-002-8357-5 . S2CID 27691986 .
^ «Как поиски единой теории ставили Эйнштейна в тупик до самой смерти» . физ.орг .
^ Стивен В. Хокинг (28 февраля 2006 г.). Теория всего: происхождение и судьба Вселенной . Книги Феникса; Особый юбилей. ISBN 978-1-59777-508-3 .
^ Росс, Г. (1984). Теории Великого Объединения . Вествью Пресс . ISBN 978-0-8053-6968-7 .
^ См . Кэтрин Гольдштейн и Джим Риттер (2003) «Разновидности единства: звучание единых теорий 1920-1930 годов» в книге А. Аштекар и др. (ред.), «Возвращаясь к основам релятивистской физики» , Дордрехт, Клювер, с. 93-149; Владимир Визгин (1994), Единые теории поля в первой трети ХХ века , Базель, Биркхойзер; Хьюберт Гённер об истории единых теорий поля. Архивировано 5 августа 2011 г. в Wayback Machine .
^ Эрхард Шольц (редактор) (2001), Германа Вейля «Пространство-время-материя» и общее введение в его научную работу , Базель, Биркхойзер.
^ Даниэла Вюнш (2003), «Пятое измерение: новаторская идея Теодора Калуцы», Annalen der Physik , vol. 12, с. 519–542.

Дальнейшее чтение

Объединение Йеруна ван Донгена Эйнштейна , издательство Кембриджского университета (26 июля 2010 г.)
Варадараджан, В.С. Суперсимметрия для математиков: введение (конспекты лекций Куранта) , Американское математическое общество (июль 2004 г.)

Внешние ссылки

К истории единых теорий поля , Хуберт Ф.М. Гённер

[1] Эрнан Макмаллин (2002). «Истоки концепции поля в физике» (PDF) . Физ. Перспектива . 4 (1): 13–39. Бибкод : 2002PhP.....4...13M . дои : 10.1007/s00016-002-8357-5 . S2CID 27691986 .

[2] «Как поиски единой теории ставили Эйнштейна в тупик до самой смерти» . физ.орг .

[Hawking2006-3] Стивен В. Хокинг (28 февраля 2006 г.). Теория всего: происхождение и судьба Вселенной . Книги Феникса; Особый юбилей. ISBN 978-1-59777-508-3 .

[4] Росс, Г. (1984). Теории Великого Объединения . Вествью Пресс . ISBN 978-0-8053-6968-7 .

[5] См . Кэтрин Гольдштейн и Джим Риттер (2003) «Разновидности единства: звучание единых теорий 1920-1930 годов» в книге А. Аштекар и др. (ред.), «Возвращаясь к основам релятивистской физики» , Дордрехт, Клювер, с. 93-149; Владимир Визгин (1994), Единые теории поля в первой трети ХХ века , Базель, Биркхойзер; Хьюберт Гённер об истории единых теорий поля. Архивировано 5 августа 2011 г. в Wayback Machine .

[6] Эрхард Шольц (редактор) (2001), Германа Вейля «Пространство-время-материя» и общее введение в его научную работу , Базель, Биркхойзер.

[7] Даниэла Вюнш (2003), «Пятое измерение: новаторская идея Теодора Калуцы», Annalen der Physik , vol. 12, с. 519–542.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]