Кіріспе
Физикадағы негізгі күштер мен бөлшектерді біріктіруді мақсат ететін өріс теориясы. Физикада біріктірілген өріс теориясы (БӨТ) – өріс теориясының бір түрі, ол әдетте негізгі күштер мен элементар бөлшектер деп есептелінетін барлық нәрсені физикалық және виртуалды өрістер жұбы түрінде сипаттауға мүмкіндік береді. Физикадағы қазіргі заманғы жаңалықтарға сәйкес, күштер өзара әрекеттесетін денелер арасында тікелей берілмейді, олардың орнына өрістер деп аталатын делдалдық құбылыстар арқылы сипатталады және түсіндіріледі. Дегенмен, өрістердің екілігі бір физикалық өріс ретінде біріктіріледі. Бір ғасырдан астам уақыттан бері біріктірілген өріс теориясы зерттеудің ашық бағыты болып табылады. Бұл терминді Альберт Эйнштейн енгізді, ол өзінің жалпы салыстырмалылық теориясын электромагнетизммен біріктіруге тырысты. "Барлық нәрсені түсіндіретін теория" және Ұлы біріктірілген теория біріктірілген өріс теориясымен тығыз байланысты, бірақ табиғаттың негізі міндетті түрде өрістерден тұруын қажет етпейді және көбінесе табиғаттың физикалық тұрақтыларын түсіндіруге бағытталған. Классикалық физикаға негізделген алғашқы әрекеттер классикалық біріктірілген өріс теориялары туралы мақалада сипатталған. Біріктірілген өріс теориясының мақсаты болашақ теориялық физиканың үлкен жетістіктеріне жол ашты және осы жетістіктер жалғасуда.
In physics, a unified field theory (UFT) is a type of field theory that allows all that is usually thought of as fundamental forces and elementary particles to be written in terms of a pair of physical and virtual fields. According to modern discoveries in physics, forces are not transmitted directly between interacting objects but instead are described and interpreted by intermediary entities called fields. However, a duality of the fields is combined into a single physical field. For over a century, unified field theory has remained an open line of research. The term was coined by Albert Einstein, who attempted to unify his general theory of relativity with electromagnetism. The "Theory of Everything" and Grand Unified Theory are closely related to unified field theory, but differ by not requiring the basis of nature to be fields, and often by attempting to explain physical constants of nature. Earlier attempts based on classical physics are described in the article on classical unified field theories. The goal of a unified field theory has led to a great deal of progress for future theoretical physics, and progress continues.
Қуаттар
Белгілі төрт негізгі күштің бәрі өрістер арқылы таратылады, бұл бөлшектер физикасының Стандартты моделінде өлшегіш бозондардың алмасуынан туындайды. Атап айтқанда, біріктірілуге тиіс төрт негізгі өзара әрекеттесу:
Қуатты өзара әрекеттесу: кварктарды бірге ұстап, адрондарды құруға жауапты, сондай-ақ нейтрондар мен протондарды бірге ұстап, атом ядроларын құруға жауапты өзара әрекеттесу. Бұл күшті тарататын бөлшекті глюон дейді. Электромагниттік өзара әрекеттесу: электр заряды бар бөлшектерге әсер ететін белгілі өзара әрекеттесу. Бұл күштің алмасу бөлшегі – фотон. Әлсіз өзара әрекеттесу: кейбір радиоактивтілік түрлеріне жауапты, электрондарға, нейтриноларға және кварктарға әсер ететін қысқа қашықтықтағы өзара әрекеттесу. Ол W және Z бозондары арқылы таратылады. Гравитациялық өзара әрекеттесу: барлық бөлшектерге әсер ететін ұзақ қашықтықтағы тартымды өзара әрекеттесу. Тарату бөлшегі гравитон деп аталады. Қазіргі заманғы бірыңғай өріс теориясы осы төрт күшті және материяны бір арқауға біріктіруге тырысады.
Strong interaction: the interaction responsible for holding quarks together to form hadrons, and holding neutrons and also protons together to form atomic nuclei. The exchange particle that mediates this force is the gluon. Electromagnetic interaction: the familiar interaction that acts on electrically charged particles. The photon is the exchange particle for this force. Weak interaction: a short range interaction responsible for some forms of radioactivity, that acts on electrons, neutrinos, and quarks. It is mediated by the W and Z bosons. Gravitational interaction: a long range attractive interaction that acts on all particles. The postulated exchange particle has been named the graviton. Modern unified field theory attempts to bring these four forces and matter together into a single framework.
Классикалық теория
Бірінші табысты классикалық біріктірілген өріс теориясын Джеймс Клерк Максвелл әзірледі. 1820 жылы Ханс Кристиан Орстед электр тогының магниттерге күш түсіретінін ашты, ал 1831 жылы Майкл Фарадей уақыт бойынша өзгеретін магнит өрістері электр тогын тудыруға болатынын байқады. Осыған дейін электр және магнетизм байланыссыз құбылыстар деп есептелген. 1864 жылы Максвелл электромагниттік өрістің динамикалық теориясы туралы әйгілі мақаласын жариялады. Бұл бұрынғыда бөлек қарастырылған өріс теорияларын (атап айтқанда, электр және магнетизмді) біріктіре отырып, электромагнетизмнің біртұтас теориясын ұсынатын алғашқы теория болды. 1905 жылы Альберт Эйнштейн Максвелл теориясындағы жарық жылдамдығының тұрақтылығын пайдаланып, кеңістік және уақыт туралы ұғымдарын кеңістік-уақыт деп аталатын бірлікке біріктірді. 1915 жылы ол арнайы салыстырмалылық теориясын төрт өлшемді кеңістік-уақыттың қисық геометриясын сипаттау үшін өріс қолданып, жалпы салыстырмалылық теориясына, гравитацияның сипаттамасына кеңейтті. Жалпы теорияның құрылуынан кейінгі жылдарда көптеген физиктер мен математиктер сол кездегі белгілі негізгі өзара әрекеттесулерді біріктіруге ынталы түрде қатысты. Бұл саланың кейінгі дамуын ескере отырып, 1919 жылы классикалық өріс теориясына (электромагниттік) өлшегіш өріс концепциясын енгізген Герман Вейльдің теориясы және екі жылдан кейін Теодор Калузаның теориясы ерекше қызығушылық тудырды. Ол жалпы салыстырмалылықты бес өлшемге дейін кеңейтті. Осы бағыттағы жұмысты жалғастырған Оскар Клейн 1926 жылы төртінші кеңістіктік өлшемді кішкентай, байқауға келмейтін шеңберге жиырылуын ұсынды. Калуза-Клейн теориясында қосымша кеңістіктік бағыттың гравитациялық қисықтығы электромагнетизмге ұқсас қосымша күш ретінде әрекет етеді. Бұл және электромагнетизм мен гравитацияның басқа да модельдерін Альберт Эйнштейн классикалық біріктірілген өріс теориясын жасауға тырысқанда зерттеді. 1930 жылы Эйнштейн Эйнштейн-Максвелл-Дирак жүйесін қарастырды [Донген]. Бұл жүйе (эвристикалық тұрғыдан) кванттық электродинамиканың (математикалық жағынан толық анықталмаған) суперклассикалық [Варадаражан] лимиті болып табылады. Бұл жүйені әлсіз және күшті ядролық күштерді қосып, Эйнштейн-Янг-Миллс-Дирак жүйесін алуға болады. Француз физигі Мари Антуанетт Тонелат 1940 жылдардың басында квантталған спин-2 өрісі үшін стандартты коммутациялық қатынастар туралы мақала жариялады. Ол бұл жұмысты Эруин Шредингермен бірлесіп Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін жалғастырды. 1960 жылдары Мендель Сакс қайта нормалауды немесе бұрылыс теориясын қажет етпейтін жалпы ковариантты өріс теориясын ұсынды. 1965 жылы Тонелат біріктірілген өріс теориялары бойынша зерттеулердің жай-күйі туралы кітап жариялады.
Қазіргі заманғы прогресс
1963 жылы американдық физик Шелдон Гласшоу әлсіз ядролық күш, электр және магнетизмнің ішінара біріктірілген электроәлсіз теориядан туындайтынын ұсынды. 1967 жылы пакистандық Абдус Салам мен американдық Стивен Вайнберг Гласшоудың теориясын тәуелсіз түрде қайта қарастырды, W және Z бөлшектерінің массаларының Хиггс механизмі арқылы спонтанды симметрияның бұзылуы арқылы пайда болатынын көрсетті. Бұл біріктірілген теория электроәлсіз өзара әрекеттесуді төрт бөлшектің араласуы арқылы туындайтын күш ретінде моделеді: электромагниттік әсері үшін фотон, бейтарап Z бөлшегі және әлсіз әсері үшін екі зарядталған W бөлшегі. Спонтанды симметрияның бұзылуы нәтижесінде әлсіз күш қысқа қашықтықта болады, ал W және Z бозондары тиісінше 80,4 және 91,2 масса бірліктеріне ие болады. Олардың теориясы алғаш рет 1973 жылы әлсіз бейтарап тоқтардың табылуымен тәжірибелік қолдау тапты. 1983 жылы Z және W бозондары алғаш рет ЦЕРН-де Карло Руббианың командасы жасады. Олардың жаңалықтары үшін Гласшоу, Салам және Вайнберг 1979 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Карло Руббия мен Симон ван дер Мёр 1984 жылы сыйлықты алды. Герард Т. Хуфт Гласшоу–Вайнберг–Салам электроәлсіз өзара әрекеттесулерінің математикалық тұрғыдан дұрыс екенін көрсеткеннен кейін, электроәлсіз теория күштерді біріктіруге жасалған келесі әрекеттердің үлгісіне айналды. 1974 жылы Шелдон Гласшоу мен Говард Георги күшті және электроәлсіз өзара әрекеттесулерді Георги–Гласшоу моделіне біріктіруді ұсынды, бұл бірінші Ұлы Біріктірілген Теория, ол 100 ГэВ-тан жоғары энергияда байқалатын әсерлерге ие болар еді. Содан бері Ұлы Біріктірілген Теориялар үшін бірнеше ұсыныстар жасалды, мысалы, Пати–Салам моделі, бірақ қазіргі уақытта олардың ешқайсысы толығымен қабылданбады. Мұндай теорияларды тәжірибелік түрде тексерудегі басты мәселе – энергия масштабы, ол қазіргі үдеткіштердің мүмкіндігінен тыс. Ұлы Біріктірілген Теориялар күшті, әлсіз және электромагниттік күштердің салыстырмалы күштері туралы болжамдар жасайды, ал 1991 жылы LEP суперсимметриялық теориялар Георги–Гласшоу Ұлы Біріктірілген Теориясы үшін дұрыс байланыс қатынасына ие екенін анықтады. Көптеген Ұлы Біріктірілген Теориялар (бірақ Пати–Салам емес) протонның ыдырайтынын болжайды, және егер осы құбылыс байқалса, ыдырау өнімдерінің егжей-тегжейі Ұлы Біріктірілген Теорияның басқа да аспектілері туралы ақпарат бере алады. Қазіргі уақытта протонның ыдырай алатыны белгісіз, бірақ тәжірибелер оның өмір сүру мерзімі үшін 1035 жылдық төменгі шек белгіленді.
Ағымдағы жағдай
Теориялық физиктер әлі күнге дейін жалпыға қабылданған, дәйекті теорияны жасап шығармаған, ол жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механиканы біріктіріп, «барлық нәрсенің теориясы» болар еді. Гравитонды күшті және электрослабы өзара әрекеттесулермен қосастыруға тырысу негізгі қиындықтарға алып келеді, ал нәтижесіндегі теория қайта нормаланбайды. Екі теорияның қақтығысы физика саласындағы шешілмеген маңызды мәселе болып қала береді.