Кіріспе
Физикадағы скалярлар мен тензорлар күшті немесе өзара әрекеттестікті сипаттайтын теория. Теориялық физикада скаляр-тензорлық теория – белгілі бір өзара әрекеттестікті бейнелеу үшін скалярлық өріс пен тензорлық өрісті қамтитын өріс теориясы. Мысалы, Бранс-Дикк гравитация теориясы гравитациялық өзара әрекеттесуді жүзеге асыру үшін скалярлық және тензорлық өрістерді пайдаланады.
In theoretical physics, a scalar–tensor theory is a field theory that includes both a scalar field and a tensor field to represent a certain interaction. For example, the Brans–Dicke theory of gravitation uses both a scalar field and a tensor field to mediate the gravitational interaction.
Тензорлы өрістер мен өріс теориясы
Қазіргі заманғы физика барлық физикалық теорияларды мүмкіндігінше аз принциптерден шығаруға тырысады. Осылайша, Ньютон механикасы да, кванттық механика да Гамильтонның ең аз әрекет принципінен туындайды. Бұл тәсілде жүйенің мінез-құлқы күштер арқылы емес, жүйенің энергиясын сипаттайтын функциялар арқылы сипатталады. Ең маңыздысы – Гамильтон функциясы және Лагранж функциясы деп аталатын энергетикалық шамалар. Олардың кеңістіктегі туындылары Гамильтон тығыздығы және Лагранж тығыздығы деп аталады. Осы шамаларға көшу өріс теорияларына алып келеді. Қазіргі физика шындықты түсіндіру үшін өріс теорияларын пайдаланады. Бұл өрістер скалярлық, векторлық немесе тензорлық болуы мүмкін. Скалярлық өріске мысал – температура өрісі. Векторлық өріске мысал – жел жылдамдығы өрісі. Тензорлық өріске мысал – үздіксіз механикада қолданылатын, керілген денедегі кернеу тензоры өрісі.
Тақырыбы бойынша гравитация теориясы
Физикада күштер (векторлық шамалар ретінде) скалярлық шамалардың потенциалдар деп аталатын туындысы (градиенті) ретінде беріледі. Эйнштейнге дейінгі классикалық физикада гравитация да сол сияқты берілген, гравитациялық күштің (векторлық) салдары ретінде, скалярлық потенциалдық өріс арқылы, бөлшектердің массасына байланысты. Осылайша, Ньютонның гравитация теориясы скалярлық теория деп аталады. Гравитациялық күш зор денелердің бір-біріне дейінгі арақашықтығына байланысты (дәлірек айтқанда, олардың массалық орталығына). Масса – параметр, ал кеңістік пен уақыт өзгермейді. Эйнштейннің гравитация теориясы, Жалпы салыстырмалылық теориясы (ЖС), басқаша сипатта. Ол кеңістік пен уақытты кеңістік-уақыт деп аталатын төрт өлшемді көптүрлілікте біріктіреді. ЖС-де гравитациялық күш жоқ, керісінше, күш деп санаған әрекеттер кеңістік-уақыттың жергілікті қисығының салдары. Бұл қисықтық математикалық тұрғыдан метрика деп аталады, ол аудандағы жалпы энергияның, соның ішінде массаның функциясы. Метриканың туындысы көбінесе классикалық Ньютон күшін жуықтайтын функция. Метрика – 2-дәрежелі тензорлық шама (оны 4x4 матрица, 2 индексі бар объекті ретінде беруге болады). Бұл жағдайда гравитацияны түсіндірудің тағы бір мүмкіндігі – тензорларды (n>1 дәрежелі) және скалярлық өрістерді пайдалану, яғни гравитация тек скалярлық өріс арқылы да, тек метрика арқылы да берілмейді. Бұл гравитацияның скалярлы-тензорлық теориялары. Жалпы салыстырмалылық теориясының теориялық бастамасы Лагранж тығыздығы арқылы беріледі. Бұл скалярлық және калибрлік инвариантты (калибрлік теорияларды қараңыз) шама, ол қисықтық скаляры R-ға тәуелді. Бұл Лагранж, Гамильтон принципі бойынша, Хилберт пен Эйнштейннің өріс теңдеулеріне алып келеді. Егер Лагранждық қисықтық (немесе оған байланысты шама) шаршы скалярлық өріспен көбейтілсе, онда скалярлық-тензорлық өріс теориясы, гравитация теориясы алынады. Онда Ньютонның гравитациялық тұрақтысы енді нақты тұрақты емес, скалярлық өріске тәуелді шама болады.
Жоғары өлшемді салыстырмалылық теориясы мен скалярлы тензор теориясы
Эйнштейн мен Хилберттің жалпы салыстырмалылық теориясын тұжырымдағаннан кейін, 1917 жылы Теодор Калуза мен Оскар Клейн 5 өлшемді кеңістікте жалпылауды ұсынды: Калуза–Клейн теориясы. Бұл теория 5 өлшемді метрикаға ие (өлшегіш потенциалға байланысты, қалыптастырылған және тұрақты 5-ші метрикалық компонентімен) және гравитация мен электромагнетизмді біріктіреді, яғни электродинамиканың геометриялық сипатталуын қамтамасыз етеді. 1955 жылы П. Джордан бұл теорияны өзінің проективті салыстырмалылық теориясында өзгертті. Топтық теориялық негіздемелерге сүйене отырып, Джордан өзгермелі гравитациялық тұрақты G-ге алып келетін функционалды 5-ші метрикалық компонентті енгізді. Ол өзінің бастапқы жұмысында Дирактың идеяларымен үйлесімді энергия сақталуын өзгерту үшін скалярлық өрістің байланыс параметрлерін қосты. Конформдық эквиваленттілік теориясына сәйкес, көп өлшемді гравитация теориялары 4 өлшемдегі әдеттегі жалпы салыстырмалылық теорияларына қосымша скалярлық өріспен эквивалентті. Бұл теорияның бір мысалы – Джорданның теориясы, ол энергия сақталуын бұзбай (микротолқындық фондық сәулеленудің қара денеден туындайтынын ескере отырып, оның дұрыс болуы керек), 1961 жылғы К. Бранс пен Роберт Х. Диккенің теориясына эквивалентті, сондықтан көбінесе Бранс–Ддик теориясы деп аталады. Бранс–Ддик теориясы Хилберт-Эйнштейн теориясын Мах принципімен үйлесімді ету идеясын ұстанады. Осы мақсатта Ньютонның гравитациялық тұрақтысы ғаламдағы масса таралуына тәуелді, Лагранждықта өріс ретінде байланысқан скалярлық функция ретінде өзгермелі болуы керек. Ол шексіз ұзындығы бар скалярлық өріс қолданады (яғни, қашықтыққа тәуелді емес), сондықтан Юкаваның ядролық физика теориясының тілімен айтқанда, бұл скалярлық өріс массасыз өріс болып табылады. Бұл теория скалярлық өрістің параметріне арналған жоғары мәндерде Эйнштейннің теориясына айналады. 1979 жылы Р. Вагонер скалярлық қисықтықпен байланысқан бірнеше скалярлық өрістерді қолдана отырып, скалярлық-тензорлық теорияларды жалпылауды ұсынды. JBD теориясы сынақ бөлшектерінің геодезиялық теңдеуін өзгертпесе де, күрделі денелердің қозғалысын өзгертеді. Универсалды скалярлық өрістің гравитациялық өріспен тікелей байланысы гравитациялық энергияның маңызды үлесін қосатын материя конфигурацияларының қозғалысына байқалатын әсерлерге әкеледі. Бұл "Ддикке-Нордтведт" әсері деп аталады, ол кеңейтілген массалар үшін күшті және әлсіз эквиваленттілік принципінің бұзылуына әкелуі мүмкін. JBD типті теориялар Юкава теориясына сәйкес, қысқа қашықтықтағы скалярлық өрістерді қолданады, яғни массивті скалярлық өрістерді. Бұл теориялардың біріншісін 1979 жылы А. Зи ұсынды. Ол Бранс пен Диккенің идеясын симметрияның бұзылуымен біріктіріп, элементарлық бөлшектердің стандартты моделіндегі (SM) симметрияның бұзылуы массаның пайда болуына әкелетін сынған симметриялық гравитация теориясын ұсынды (бөлшектердің Хиггс өрісімен өзара әрекеттесуінің нәтижесі). Зи SM-нің Хиггс өрісін скалярлық өріс ретінде қарастырды, сондықтан Хиггс өрісі гравитациялық тұрақтыны тудырады. Хиггс өрісінің масса алатын бөлшектермен өзара әрекеттесуі қысқа қашықтықта (яғни Юкава типінде) және гравитациялық сияқты (одан Пуассон теңдеуін алуға болады), тіпті SM ішінде, сондықтан Зидің идеясы 1992 жылы Хиггс механизмімен Хиггс өрісін скалярлық өріс ретінде қолданатын скалярлық-тензорлық теория үшін қабылданды. Мұнда массивті скалярлық өріс массалармен байланысады, олардың өзі элементарлық бөлшектердің массасын симметрияның бұзылуы арқылы тудыратын скалярлық Хиггс өрісінің көзі болып табылады. Скалярлық өріс нөлге жақындағанда, бұл теориялар әдетте стандартты жалпы салыстырмалылыққа көшеді және массивті өрістің табиғатына байланысты, мұндай теориялар үшін скалярлық өрістің параметрі (байланыс константасы) стандартты JBD теорияларындағыдай жоғары болмауы мүмкін. Дегенмен, осы модельдердің қайсысы табиғатта байқалатын құбылыстарды жақсы түсіндіретіні және мұндай скалярлық өрістер табиғатта бар ма, әлде қажет пе, әлі белгісіз. Дегенмен, JBD теориялары Үлкен жарылыстан кейінгі инфляцияны (массасыз скалярлық өрістер үшін инфлатон өрісі туралы айтылады) және квинтэссенцияны түсіндіру үшін қолданылады. Бұдан әрі, олар стандартты суық қараңғы материя модельдері арқылы берілген динамиканы, сондай-ақ MOND, аксиондар (симметрияның бұзылуынан да), MACHO-ларды түсіндірудің мүмкіндігін ұсынады.
Сызық теориясымен байланысы
Барлық қыл теориясы модельдерінің жалпы болжамы – спин 2 гравитонының дилатон деп аталатын спин 0 серігі бар. Сондықтан, қыл теориясы гравитацияның нақты теориясы жалпы салыстырмалылық теориясының орнына скаляр-тензорлық теория деп болжайды. Дегенмен, мұндай теорияның нақты түрі қазірге дейін белгісіз, себебі тиісті бұрылмаған есептеулерді жүргізуге қажетті математикалық құралдар жеткіліксіз. Бұған қоса, теорияның нақты тиімді 4 өлшемді формасы «ландшафт мәселесі» деп аталатын қиындыққа да тап болады.