Объединенная теория поля: стремление к единому описанию фундаментальных сил.

Введение

Теория поля в физике, целью которой является объединение фундаментальных сил и частиц.

В физике единая теория поля (UFT) – это тип теории поля, позволяющий представить все, что обычно считается фундаментальными силами и элементарными частицами, в терминах пары физических и виртуальных полей. Согласно современным физическим открытиям, силы не передаются напрямую между взаимодействующими объектами, а описываются и интерпретируются посредством посредников, называемых полями. Однако дуальность этих полей объединяется в единое физическое поле. Более века единая теория поля остается открытой областью исследований. Термин был введен Альбертом Эйнштейном, который пытался объединить свою общую теорию относительности с электромагнетизмом. "Теория всего" и Великая объединенная теория тесно связаны с единой теорией поля, но отличаются тем, что не требуют, чтобы основой природы были поля, и часто стремятся объяснить физические константы природы. Более ранние попытки, основанные на классической физике, описаны в статье о классических единых теориях поля. Стремление к единой теории поля способствовало значительному прогрессу в будущей теоретической физике, и этот прогресс продолжается.

Силы

Все четыре известные фундаментальные силы опосредованы полями, которые в Стандартной модели физики частиц возникают в результате обмена калибровочными бозонами. В частности, четыре фундаментальных взаимодействия, которые предстоит объединить, это: Сильное взаимодействие: взаимодействие, ответственное за удержание кварков вместе для образования адронов, а также за удержание нейтронов и протонов вместе для образования атомных ядер. Частицей-переносчиком этого взаимодействия является глюон. Электромагнитное взаимодействие: хорошо известное взаимодействие, действующее на электрически заряженные частицы. Фотон является частицей-переносчиком этой силы. Слабое взаимодействие: взаимодействие короткого радиуса действия, ответственное за некоторые виды радиоактивности и действующее на электроны, нейтрино и кварки. Оно опосредовано W и Z бозонами. Гравитационное взаимодействие: взаимодействие дальнодействующего притяжения, действующее на все частицы. Предполагаемой частице-переносчику было дано название гравитон. Современные теории единого поля стремятся объединить эти четыре силы и материю в единую систему.

Классическая теория

Первая успешная классическая единая теория поля была разработана Джеймсом Клерком Максвеллом. В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрические токи оказывают силы на магниты, а в 1831 году Майкл Фарадей установил, что изменяющиеся во времени магнитные поля могут индуцировать электрические токи. До этого момента электричество и магнетизм считались несвязанными явлениями. В 1864 году Максвелл опубликовал свою знаменитую работу о динамической теории электромагнитного поля. Это был первый пример теории, способной объединить ранее раздельные теории поля (в частности, электричество и магнетизм) в единую теорию электромагнетизма. К 1905 году Альберт Эйнштейн использовал постоянство скорости света в теории Максвелла для объединения наших представлений о пространстве и времени в единую сущность, которую мы теперь называем пространством-временем, а в 1915 году он расширил эту теорию специальной относительности до описания гравитации, общей теории относительности, используя поле для описания искривленной геометрии четырехмерного пространства-времени. В годы, последовавшие за созданием общей теории, большое число физиков и математиков с энтузиазмом включились в попытки объединить известные на тот момент фундаментальные взаимодействия. Учитывая последующие разработки в этой области, особый интерес представляют теории Германна Вейля 1919 года, который ввел понятие (электромагнитного) калибровочного поля в классическую теорию поля, и, два года спустя, Теодор Калуца, который расширил общую теорию относительности до пяти измерений. Продолжая в этом направлении, Оскар Клейн в 1926 году предположил, что четвертое пространственное измерение свернуто в небольшой, ненаблюдаемый круг. В теории Калуца — Клейна гравитационная кривизна дополнительного пространственного направления проявляется как дополнительная сила, подобная электромагнетизму. Эти и другие модели электромагнетизма и гравитации изучал Альберт Эйнштейн в своих попытках создать классическую единую теорию поля. К 1930 году Эйнштейн уже рассматривал систему Эйнштейна — Максвелла — Дирака [Dongen]. Эта система (эвристически) является суперклассическим [Варадараджановским] пределом (не вполне математически определенной) квантовой электродинамики. Эту систему можно расширить, включив слабые и сильные ядерные силы, чтобы получить систему Эйнштейна — Янга — Миллса — Дирака. Французский физик Мари Антуанетта Тоннелат опубликовала в начале 1940-х годов статью о стандартных коммутационных соотношениях для квантованного спинового поля 2. Она продолжила эту работу в сотрудничестве с Эрвином Шрёдингером после Второй мировой войны. В 1960-х годах Мендель Сакс предложил общековариантную теорию поля, которая не требовала использования перенормировки или теории возмущений. В 1965 году Тоннелат опубликовала книгу о состоянии исследований в области единых теорий поля.

The first successful classical unified field theory was developed by James Clerk Maxwell. In 1820, Hans Christian Ørsted discovered that electric currents exerted forces on magnets, while in 1831, Michael Faraday made the observation that time varying magnetic fields could induce electric currents. Until then, electricity and magnetism had been thought of as unrelated phenomena. In 1864, Maxwell published his famous paper on a dynamical theory of the electromagnetic field. This was the first example of a theory that was able to encompass previously separate field theories (namely electricity and magnetism) to provide a unifying theory of electromagnetism. By 1905, Albert Einstein had used the constancy of the speed of light in Maxwell's theory to unify our notions of space and time into an entity we now call spacetime and in 1915 he expanded this theory of special relativity to a description of gravity, general relativity, using a field to describe the curving geometry of four dimensional spacetime. In the years following the creation of the general theory, a large number of physicists and mathematicians enthusiastically participated in the attempt to unify the then known fundamental interactions. Given later developments in this domain, of particular interest are the theories of Hermann Weyl of 1919, who introduced the concept of an (electromagnetic) gauge field in a classical field theory and, two years later, that of Theodor Kaluza, who extended General Relativity to five dimensions. Continuing in this latter direction, Oscar Klein proposed in 1926 that the fourth spatial dimension be curled up into a small, unobserved circle. In Kaluza–Klein theory, the gravitational curvature of the extra spatial direction behaves as an additional force similar to electromagnetism. These and other models of electromagnetism and gravity were pursued by Albert Einstein in his attempts at a classical unified field theory. By 1930 Einstein had already considered the Einstein Maxwell–Dirac System [Dongen]. This system is (heuristically) the super classical [Varadarajan] limit of (the not mathematically well defined) quantum electrodynamics. One can extend this system to include the weak and strong nuclear forces to get the Einstein–Yang Mills–Dirac System. The French physicist Marie Antoinette Tonnelat published a paper in the early 1940s on the standard commutation relations for the quantized spin 2 field. She continued this work in collaboration with Erwin Schrödinger after World War II. In the 1960s Mendel Sachs proposed a generally covariant field theory that did not require recourse to renormalization or perturbation theory. In 1965, Tonnelat published a book on the state of research on unified field theories.

Современный прогресс

В 1963 году американский физик Шелдон Глашоу предположил, что слабая ядерная сила, электричество и магнетизм могут возникать из частично объединенной электрослабой теории. В 1967 году пакистанский физик Абдус Салам и американский физик Стивен Вайнберг независимо пересмотрели теорию Глашоу, предположив, что массы частиц W и Z возникают в результате спонтанного нарушения симметрии с помощью механизма Хиггса. Эта объединенная теория описывала электрослабое взаимодействие как силу, переносимую четырьмя частицами: фотоном для электромагнитного аспекта, нейтральной частицей Z и двумя заряженными частицами W для слабого аспекта. В результате спонтанного нарушения симметрии слабая сила становится короткодействующей, а W и Z бозоны приобретают массы 80,4 и 91,2 соответственно. Экспериментальное подтверждение их теории впервые было получено в 1973 году с открытием слабых нейтральных токов. В 1983 году бозоны Z и W были впервые получены в ЦЕРН командой Карло Руббиа. За свои идеи Глашоу, Салам и Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в 1979 году, а Карло Руббиа и Симон ван дер Меер – в 1984 году. После того как Герард 'т Хоофт доказал математическую согласованность электрослабых взаимодействий Глашоу–Вайнберга–Салама, электрослабая теория стала основой для дальнейших попыток объединения сил. В 1974 году Шелдон Глашоу и Говард Георги предложили объединить сильное и электрослабое взаимодействия в модель Георги–Глашоу, первую Великую Объединенную Теорию, которая должна проявлять наблюдаемые эффекты при энергиях значительно выше 100 ГэВ. С тех пор было предложено несколько вариантов Великих Объединенных Теорий, например, модель Пати–Салама, однако ни одна из них в настоящее время не является общепринятой. Основная проблема для экспериментальной проверки таких теорий заключается в энергетическом масштабе, который недостижим для современных ускорителей. Великие Объединенные Теории предсказывают относительную силу сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий, и в 1991 году LEP установил, что суперсимметричные теории соответствуют правильному соотношению констант связи для Великой Объединенной Теории Георги–Глашоу. Многие Великие Объединенные Теории (но не Пати–Салама) предсказывают распад протона, и в случае его наблюдения детали продуктов распада могли бы дать представление о других аспектах Великой Объединенной Теории. В настоящее время неизвестно, может ли протон распадаться, хотя эксперименты установили нижнюю границу его времени жизни – 1035 лет.

In 1963, American physicist Sheldon Glashow proposed that the weak nuclear force, electricity, and magnetism could arise from a partially unified electroweak theory. In 1967, Pakistani Abdus Salam and American Steven Weinberg independently revised Glashow's theory by having the masses for the W particle and Z particle arise through spontaneous symmetry breaking with the Higgs mechanism. This unified theory modelled the electroweak interaction as a force mediated by four particles: the photon for the electromagnetic aspect, a neutral Z particle, and two charged W particles for the weak aspect. As a result of the spontaneous symmetry breaking, the weak force becomes short range and the W and Z bosons acquire masses of 80.4 and 91.2, respectively. Their theory was first given experimental support by the discovery of weak neutral currents in 1973. In 1983, the Z and W bosons were first produced at CERN by Carlo Rubbia's team. For their insights, Glashow, Salam, and Weinberg were awarded the Nobel Prize in Physics in 1979. Carlo Rubbia and Simon van der Meer received the Prize in 1984. After Gerardus 't Hooft showed the Glashow–Weinberg–Salam electroweak interactions to be mathematically consistent, the electroweak theory became a template for further attempts at unifying forces. In 1974, Sheldon Glashow and Howard Georgi proposed unifying the strong and electroweak interactions into the Georgi–Glashow model, the first Grand Unified Theory, which would have observable effects for energies much above 100 GeV. Since then there have been several proposals for Grand Unified Theories, e. g. the Pati–Salam model, although none is currently universally accepted. A major problem for experimental tests of such theories is the energy scale involved, which is well beyond the reach of current accelerators. Grand Unified Theories make predictions for the relative strengths of the strong, weak, and electromagnetic forces, and in 1991 LEP determined that supersymmetric theories have the correct ratio of couplings for a Georgi–Glashow Grand Unified Theory. Many Grand Unified Theories (but not Pati–Salam) predict that the proton can decay, and if this were to be seen, details of the decay products could give hints at more aspects of the Grand Unified Theory. It is at present unknown if the proton can decay, although experiments have determined a lower bound of 1035 years for its lifetime.

Текущий статус

Физики-теоретики до сих пор не сформулировали общепринятую и непротиворечивую теорию, объединяющую общую теорию относительности и квантовую механику в единую "теорию всего". Попытки объединить гравитон с сильным и электрослабым взаимодействиями приводят к принципиальным трудностям, а результирующая теория оказывается не перенормируемой. Несовместимость этих двух теорий остаётся одной из ключевых проблем в физике.