Кіріспе

Табиғат күштерін біріктіруге жасалған теориялық тырастар
19 ғасырдан бері, кейбір физиктер, әсіресе Альберт Эйнштейн, табиғаттың барлық негізгі күштерін түсіндіре алатын біртұтас теориялық базаны жасауға тырысты – біріктірілген өріс теориясы. Классикалық біріктірілген өріс теориялары – классикалық физика негізінде біріктірілген өріс теориясын құруға бағытталған тырастар. Атап айтқанда, гравитация мен электромагнетизмді біріктіру екі дүниежүзілік соғыс аралығында бірнеше физиктер мен математиктер тарапынан белсенді түрде зерттелді. Бұл жұмыс дифференциалдық геометрияның таза математикалық дамуына серпін берді. Бұл мақалада классикалық (кванттық емес), релятивистік біріктірілген өріс теориясын қалыптастыруға жасалған түрлі тырастар сипатталады. Біріктіруден өзге теориялық мәселелерге негізделген классикалық релятивистік гравитациялық теориялар туралы мәліметтер алу үшін, классикалық гравитация теорияларына қараңыз. Гравитацияның кванттық теориясын құруға бағытталған қазіргі жұмыстың шолуы үшін, кванттық гравитация бетіне жүгініңіз.

Шолу

Бірыңғай өріс теориясын құруға жасалған алғашқы тырастар жалпы салыстырмалылықтың Риман геометриясымен басталды және электромагниттік өрістерді одан да жалпы геометрияға енгізуге ұмтылды, себебі кәдімгі Риман геометриясы электромагниттік өрістің қасиеттерін жеткізе алмайтын секілді көрінді. Эйнштейн электромагнетизм мен гравитацияны біріктіруге тырысқан жалғыз ғалым емес еді; Герман Вейл, Артур Эддингтон және Теодор Калуза сияқты көптеген математиктер мен физиктер де осы өзара әрекеттесулерді біріктіретін жаңа тәсілдерді жасауға күш салды. Бұл ғалымдар геометрияның негізін кеңейту және бір қосымша кеңістік өлшемін қосу сияқты әртүрлі бағыттарды зерттеді.

Алғашқы жұмыстар

Бірдікті теорияны ұсынуға жасалған алғашқы тырастарды 1912 жылы Г. Мие, ал 1916 жылы Эрнст Райхенбахер жасады. Дегенмен, бұл теориялар қанағаттандырмайтын болды, себебі олар жалпы салыстырмалылықты қамтымады, өйткені жалпы салыстырмалылық теориясы әлі қалыптаспаған еді. Бұл күш-жігер, Рудольф Фёрстердің жұмыстарымен бірге, метрикалық тензорды (бұрын симметриялық және нақты мәнді деп есептелген) асимметриялық және/немесе кешенді мәнді тензорға түрлендіруді, сондай-ақ материя үшін өріс теориясын құруға бағытталды.

Дифференциалдық геометрия және өріс теориясы

1918 жылдан 1923 жылға дейін өріс теориясында үш ерекше бағыт болды: Вейлдің өлшеу теориясы, Калузаның бес өлшемді теориясы және Эддингтонның аффиндік геометрияны жетілдіруі. Эйнштейн осы зерттеушілермен хаттасып, Калузамен ынтымақтастықта жұмыс істеді, бірақ біріктіруге ұмтылысқа толыққанды қатыспады.

Вейлдің шексіз кіші геометриясы

Электромагнетизмді жалпы салыстырмалылық теориясының геометриясына енгізу үшін Герман Вейль жалпы салыстырмалылық теориясының негізі болған Риман геометриясын кеңейту үшін жұмыс істеді. Оның идеясы – неғұрлым жалпылама инфинитезималды геометрия құру еді. Ол метрикалық өріспен қатар, көпқырлылықтағы екі нүкте арасындағы жол бойында қосымша еркіндік дәрежелері болу мүмкін екенін байқады және осындай жол бойындағы жергілікті өлшемдерді салыстырудың негізгі әдісін енгізу арқылы оны пайдалануға тырысты, бұл өлшегіш өріс арқылы жүзеге асырылды. Бұл геометрия Риман геометриясын кеңейтті, себебі метрикалық g-ге қоса Q векторлық өрісі де болды, олар екеуі бірлесіп электромагниттік және гравитациялық өрістерді тудырды. Бұл теория математикалық тұрғыдан дұрыс болғанымен, күрделі болды, нәтижесінде қиын және жоғары ретті өріс теңдеулері пайда болды. Бұл теорияның маңызды математикалық элементтері – Лагранж функциясы мен қисықтық тензоры Вейль мен оның әріптестерімен еңбек етіп шығарылды. Содан кейін Вейль Эйнштейнмен және басқалармен оның физикалық дұрыстығы туралы кеңінен хат алмасты, және теория физикалық тұрғыдан негізсіз деп танылды. Дегенмен, Вейльдің өлшегіш инварианттылық принципі кейінірек кванттық өріс теориясында өзгертілген нысанда қолданылды.

Калузаның бесінші өлшемдері

Калузаның біріктіруге қатысты көзқарасы – төрт кеңістік өлшемі мен бір уақыт өлшемінен тұратын бес өлшемді цилиндр тәрізді әлемге кеңістік-уақытты енгізу еді. Вейлдің тәсілінен өзгеше, Риман геометриясы сақталды, ал қосымша өлшем электромагниттік өріс векторын геометрияға енгізуге мүмкіндік берді. Бұл тәсілдің салыстырмалы түрде математикалық әдемілігіне қарамастан, Эйнштейн және Эйнштейннің көмекшісі Громермен бірлесіп жұмыс істегенде, бұл теорияның жекеше емес, тұрақты, шар тәрізді симметриялы шешімі жоқ екені анықталды. Бұл теория Эйнштейннің кейінгі еңбектеріне әсер етті және кейіннен Клайн оны кванттық теорияға салыстырмалылықты қосу мақсатында одан әрі дамытты, бұл қазір Калуза-Клейн теориясы деп белгілі.

Эддингтонның аффиндік геометриясы

Сэр Артур Стэнли Эддингтон – Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының жақтаушысы және оны кеңінен танымал етуге үлкен үлес қоскан белгілі астроном. Ол гравитациялық теорияны метрикалық тензордың орнына аффиндік байланысқа негізделген, негізгі құрылымдық өріс ретінде кеңейтуді ұсынған алғашқы ғалымдардың бірі болды. Аффиндік байланыс – векторларды бір уақыт-кеңістік нүктесінен екіншісіне параллель түрде жылжытудың негізі. Эддингтон аффиндік байланыстың ковариантты индекстерінде симметриялы екенін болжады, себебі бір шексіз кішкентай векторды екіншісімен бірге жылжыту нәтижесі, екіншісін біріншісімен жылжыту нәтижесімен бірдей болуы логикалық көрінді. (Кейінірек зерттеушілер бұл болжамды қайта қарастырды.) Эддингтон эпистемологиялық мәселелерге ерекше мән берді; мысалы, ол жалпы салыстырмалылық өрістік теңдеуінің космологиялық тұрақты нұсқасы ғаламның «өздігінен өлшенетін» қасиетін көрсетеді деп санады. Бұл теңдеуді шешетін ең қарапайым космологиялық модель (Де Ситтер ғаламы) сфералық симметриялы, тұрақты және жабық ғалам болып табылады (космологиялық қызыл жылжуды көрсетеді, ол әдетте кеңеюмен байланыстырылады), бұл ғаламның жалпы пішінін түсіндіруге көмектеседі. Көптеген классикалық біріктірілген өріс теорияларының авторлары сияқты, Эддингтон да Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясындағы өріс теңдеулерінде материя/энергияны көрсететін стресс-энергия тензорын уақытша деп есептеді, ал толық біріктірілген теорияда бастапқы мүше бос кеңістіктегі өріс теңдеулерінің бір бөлігі ретінде автоматты түрде пайда болады деп ойлады. Ол сондай-ақ жақсартылған фундаменталды теория сол кезде белгілі болған екі элементар бөлшектің (протон мен электронның) массаларының айырмашылығын түсіндіруге көмектеседі деген үмітпен бөлісті. Дирак теңдеуі релятивистік кванттық электронға қатысты Эддингтонның фундаменталды физикалық теорияның тензорларға негізделуі керек деген бұрынғы нанымын қайта қарастыруға себеп болды. Ол кейіннен күш-жігерін негізінен алгебралық ұғымдарға негізделген «Фундаменталды теорияны» дамытуға жұмсады (ол оларды «E кадрлары» деп атады). Алайда, оның осы теорияны сипаттауы шалаң және түсінуге қиын болды, сондықтан оның жұмысын азақ физиктер ғана жалғастырды.

Эйнштейннің геометриялық тәсілдері

Электромагнетизм үшін Максвелл теңдеулерінің эквиваленті Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы шеңберінде формулировкаланғанда, электромагниттік өріс энергиясы (Эйнштейннің әйгілі теңдеуінен күтілетіндей массаға эквивалентті) кернеу тензорына, демек кеңістік-уақыттың қисықтығына үлесін қосады, бұл гравитациялық өрістің жалпы салыстырмалылықтағы бейнесі; яғни, қисық кеңістік-уақыттың белгілі бір конфигурациялары электромагниттік өрістің әсерлерін қамтиды. Бұл, таза геометриялық теория осы екі өрісті бірнеше негізгі құбылыстың әртүрлі аспектілері ретінде қарастыруы керек екенін ұсынады. Дегенмен, қарапайым Риман геометриясы электромагниттік өрістің қасиеттерін таза геометриялық құбылыс ретінде сипаттауға қабілетсіз. Эйнштейн физикалық заңдардың барлық жиынтығының жалғыз бастауына сеніп, гравитациялық және электромагниттік күштерді (сондай-ақ, мүмкін басқаларын) біріктіретін жалпыланған гравитация теориясын құруға тырысты. Бұл әрекеттер бастапқыда вирбейндер және «алыстан параллелизм» сияқты қосымша геометриялық ұғымдарға бағытталды, бірақ ақырында метрикалық тензор мен аффиндік байланысты негізгі өрістер ретінде қарастыруға келді. (Олар тәуелсіз болмағандықтан, метрикалық аффин теориясы біршама күрделі болды.) Жалпы салыстырмалылықта бұл өрістер симметриялы (матрицалық мағынада), бірақ электромагнетизм үшін антисимметрия маңызды көрінгендіктен, симметрия талабы бір немесе екі өріс үшін де жеңілдетілді. Эйнштейн ұсынған біріктірілген өріс теңдеулері (физиканың негізгі заңдары) әдетте Риман қисықтық тензоры тұрғысынан берілген вариациялық принциптен туындады. Мұндай өріс теорияларында бөлшектер кеңістік-уақыттағы шектеулі аймақтар ретінде көрінеді, онда өріс күші немесе энергия тығыздығы ерекше жоғары. Эйнштейн мен оның әріптесі Леопольд Инфельд Эйнштейннің біріктірілген өрістің соңғы теориясында өрістің нақты сингулярлықтарының траекториялары нүктелік бөлшектерге ұқсас екенін көрсетуге қол жеткізді. Алайда сингулярлықтар – теңдеулердің бұзылатын жерлері, ал Эйнштейн түпкілікті теорияда заңдардың барлық жерде қолданылуы керек деп сенді, бөлшектер болса (жоғары сызықтық емес) өріс теңдеулеріне ұқсас шешімдер болар еді. Сонымен қатар, ғаламның ірі масштабты топологиясы шешімдерге кванттау немесе дискретті симметриялар сияқты шектеулер қоюы керек. Абстракция деңгейі және сызықтық емес теңдеулер жүйелерін талдау үшін жеткілікті математикалық құралдардың болмауы мұндай теорияларды олар сипаттауы мүмкін физикалық құбылыстармен байланыстыруды қиындатады. Мысалы, бұрылыс (аффиндік байланыстың антисимметриялық бөлігі) электромагнетизмге емес, изоспинге байланысты болуы мүмкін деген болжам бар; бұл Эйнштейнге «ауысу өрісінің дуалдығы» деп белгілі дискретті (немесе «ішкі») симметриямен байланысты. Эйнштейн гравитацияның жалпыланған теориясын зерттеуде көбінесе оқшауланды, ал көптеген физиктер оның әрекеттері сәтсіз деп санайды. Оның негізгі күштерді біріктіруге жасаған тырабы кванттық физикадағы (және керісінше) жаңалықтарды ескермеді, әсіресе күшті ядролық күш пен әлсіз ядролық күштің ашылуын.

Шредингердің таза-афиналық теориясы

Эйнштейннің біріктірілген өріс теориясына қатысты көзқарасы мен Эддингтонның кеңістік-уақыттың дифференциалдық геометриялық құрылымының жалғыз негізі ретінде аффиндік байланыс туралы идеясынан шабыттанған Эрвин Шредингер 1940 жылдан 1951 жылға дейін жалпыланған гравитациялық теорияның таза аффиндік тұжырымдамаларын жан-жақты зерттеді. Алғашында симметриялық аффиндік байланысты қарастырғанмен, кейіннен Эйнштейн сияқты симметриялық емес өріске көшті. Шредингердің осы жұмыстағы ең маңызды жаңалығы – метрикалық тензордың Риман қисықтық тензорынан жасалған қарапайым құрылым арқылы көпқырлылыққа индукциялануы болды, ал Риман қисықтық тензоры толығымен аффиндік байланыстан құралды. Сонымен қатар, вариациялық принциптің ең қарапайым негізін қолдану Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының өріс теңдеуіне ұқсас, космологиялық мүшесі автоматты түрде пайда болатын өріс теңдеуіне әкелді. Эйнштейннің күмәндануы және басқа физиктердің жарияланған сын-ескертпелері Шредингерді зейілін бұзды, ал оның осы саладағы еңбектері көбінесе назардан тыс қалды.

Кейінгі жұмыстар

1930 жылдан кейін классикалық біріктіруде жұмыс істеген ғалымдар саны азайды, себебі табиғаттың гравитациялық емес негізгі күштерінің кванттық теориялық сипаттамаларының дамуы және гравитацияның кванттық теориясын әзірлеуде кездесетін қиындықтар. Эйнштейн гравитация мен электромагнетизмді теориялық тұрғыдан біріктіруге талпынды, бірақ ол өліміне дейін жалғастырған зерттеулерінде көбінесе оқшауланды. Эйнштейннің әйгілі статусы оның соңғы ізденісіне көп назар аударды, бірақ ол шектеулі ғана табысқа жетті. Көптеген физиктер, керісінше, классикалық біріктірілген теориялардан бас тартты. Қазіргі таңдағы біріктірілген өріс теорияларындағы негізгі зерттеулер гравитацияның кванттық теориясын жасау және физикадағы басқа негізгі теориялармен біріктіру мәселесіне бағытталған, олардың барлығы кванттық өріс теориялары болып табылады. (Кейбір бағдарламалар, мысалы, ішектік теория, осы екі мәселені бірден шешуге тырысады.) Төрт белгілі негізгі күштің ішінде гравитация әлі де басқаларымен біріктіру қиын болатын жалғыз күш болып қала береді. Уақыт өте келе жаңа "классикалық" біріктірілген өріс теориялары ұсынылып отыра берсе де, олар көбінесе спинторлар сияқты дәстүрлі емес элементтерді қамтиды немесе гравитацияны электромагниттік күшпен байланыстырады, бірақ олардың ешқайсысы физиктер тарапынан кеңінен қабылданған жоқ.