Скалярно-тензорные теории в физике: объединение скалярных и тензорных полей для описания сил и взаимодействий. Принципы и применение в современной физике.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Теория в физике, использующая скаляры и тензоры для описания силы или взаимодействия.
Theory in physics with scalars and tensors both describing a force or interaction
В теоретической физике скалярно-тензорная теория — это теория поля, включающая как скалярное поле, так и тензорное поле для описания определенного взаимодействия. Например, теория гравитации Бранса — Дикке использует как скалярное поле, так и тензорное поле для передачи гравитационного взаимодействия.
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.
Тензорные поля и теория поля
Современная физика стремится вывести все физические теории из минимального числа принципов. Таким образом, как ньютоновская, так и квантовая механика выводятся из принципа наименьшего действия Гамильтона. В этом подходе поведение системы описывается не силами, а функциями, описывающими энергию системы. Наиболее важными являются энергетические величины, известные как гамильтониан и функция Лагранжа. Их производные по координатам называются плотностью гамильтониана и плотностью Лагранжа. Переход к этим величинам приводит к теориям поля. Современная физика использует теории поля для объяснения реальности. Эти поля могут быть скалярными, векторными или тензорными. Примером скалярного поля является поле температуры. Примером векторного поля является поле скорости ветра. Примером тензорного поля является поле напряжений в деформированном теле, используемое в механике сплошных сред.
Modern physics tries to derive all physical theories from as few principles as possible. In this way, Newtonian mechanics as well as quantum mechanics are derived from Hamilton's principle of least action. In this approach, the behavior of a system is not described via forces, but by functions which describe the energy of the system. Most important are the energetic quantities known as the Hamiltonian function and the Lagrangian function. Their derivatives in space are known as Hamiltonian density and the Lagrangian density. Going to these quantities leads to the field theories. Modern physics uses field theories to explain reality. These fields can be scalar, vectorial or tensorial. An example of a scalar field is the temperature field. An example of a vector field is the wind velocity field. An example of a tensor field is the stress tensor field in a stressed body, used in continuum mechanics.
Гравитация как теория поля
В физике силы (как векторные величины) задаются как производная (градиент) скалярных величин, называемых потенциалами. В классической физике до Эйнштейна гравитация описывалась аналогичным образом, как следствие гравитационной силы (векторной), определяемой через скалярное поле потенциала, зависящее от массы частиц. Таким образом, ньютоновская гравитация называется скалярной теорией. Гравитационная сила зависит от расстояния r между массивными объектами (точнее, от расстояния между их центрами масс). Масса является параметром, а пространство и время – неизменны. Теория гравитации Эйнштейна, общая теория относительности (ОТО), имеет иной характер. Она объединяет пространство и время в четырехмерное многообразие, называемое пространством-временем. В ОТО нет гравитационной силы; вместо этого, явления, которые мы приписываем силе, являются следствием локальной кривизны пространства-времени. Эта кривизна математически определяется так называемой метрикой, которая является функцией полной энергии, включая массу, в данной области. Производная метрики – это функция, которая в большинстве случаев аппроксимирует классическую ньютоновскую силу. Метрика – тензорная величина ранга 2 (её можно представить в виде матрицы 4x4, объекта, несущего 2 индекса). Другой способ описания гравитации в этом контексте – использование как тензорных (ранга n>1), так и скалярных полей, то есть гравитация описывается не только через скалярное поле и не только через метрику. Это скалярно-тензорные теории гравитации. Начало полевой теории общей теории относительности задается плотностью Лагранжа. Это скалярная и калибровочно-инвариантная величина (см. калибровочные теории), зависящая от скалярной кривизны R. Этот лагранжиан, в соответствии с принципом Гамильтона, приводит к уравнениям поля Гильберта и Эйнштейна. Если в лагранжиане кривизна (или величина, связанная с ней) умножается на квадрат скалярного поля, получаются полевые теории скалярно-тензорных теорий гравитации. В них гравитационная постоянная Ньютона перестает быть постоянной величиной и становится функцией скалярного поля.
In physics, forces (as vectorial quantities) are given as the derivative (gradient) of scalar quantities named potentials. In classical physics before Einstein, gravitation was given in the same way, as consequence of a gravitational force (vectorial), given through a scalar potential field, dependent of the mass of the particles. Thus, Newtonian gravity is called a scalar theory. The gravitational force is dependent of the distance r of the massive objects to each other (more exactly, their centre of mass). Mass is a parameter and space and time are unchangeable. Einstein's theory of gravity, the General Relativity (GR) is of another nature. It unifies space and time in a 4 dimensional manifold called space time. In GR there is no gravitational force, instead, the actions we ascribed to being a force are the consequence of the local curvature of space time. That curvature is defined mathematically by the so called metric, which is a function of the total energy, including mass, in the area. The derivative of the metric is a function that approximates the classical Newtonian force in most cases. The metric is a tensorial quantity of degree 2 (it can be given as a 4x4 matrix, an object carrying 2 indices). Another possibility to explain gravitation in this context is by using both tensor (of degree n>1) and scalar fields, i. e. so that gravitation is given neither solely through a scalar field nor solely through a metric. These are scalar–tensor theories of gravitation. The field theoretical start of General Relativity is given through the Lagrange density. It is a scalar and gauge invariant (look at gauge theories) quantity dependent on the curvature scalar R. This Lagrangian, following Hamilton's principle, leads to the field equations of Hilbert and Einstein. If in the Lagrangian the curvature (or a quantity related to it) is multiplied with a square scalar field, field theories of scalar–tensor theories of gravitation are obtained. In them, the gravitational constant of Newton is no longer a real constant but a quantity dependent of the scalar field.
Высшее измерение теории относительности и скалярный тензор
После постулирования общей теории относительности Эйнштейна и Гильберта, Теодор Калуза и Оскар Клейн предложили в 1917 году обобщение в 5-мерном многообразии: теорию Калуцы — Клейна. Эта теория обладает 5-мерной метрикой (с компактифицированной и постоянной 5-й метрической компонентой, зависящей от калибровочного потенциала) и объединяет гравитацию и электромагнетизм, то есть происходит геометризация электродинамики. В 1955 году П. Джордан модифицировал эту теорию в своей теории проективной относительности, где, следуя группово-теоретическим рассуждениям, он использовал функциональную 5-ю метрическую компоненту, что привело к переменной гравитационной постоянной G. В своей оригинальной работе он ввел параметры связи скалярного поля, чтобы изменить сохранение энергии, в соответствии с идеями Дирака. В соответствии с теорией конформного эквивалента, многомерные теории гравитации конформно эквивалентны теориям обычной общей теории относительности в 4 измерениях с дополнительным скалярным полем. Одним из примеров является теория Джордана, которая, не нарушая сохранения энергии (что должно быть справедливо, исходя из микроволнового фонового излучения как излучения абсолютно черного тела), эквивалентна теории К. Бранса и Р. Х. Дикке 1961 года, поэтому обычно говорят о теории Бранса — Дикке. Теория Бранса — Дикке исходит из идеи модификации теории Гильберта — Эйнштейна для обеспечения совместимости с принципом Маха. Для этого гравитационная постоянная Ньютона должна быть переменной, зависящей от распределения массы во Вселенной, как функция скалярной переменной, связанной как поле в лагранжиане. Она использует скалярное поле с бесконечным масштабом длины (то есть дальнодействующее), поэтому, в терминах теории ядерной физики Юкавы, это безмассовое поле. Эта теория становится эйнштейновской при высоких значениях параметра скалярного поля. В 1979 году Р. Вагонер предложил обобщение скалярно-тензорных теорий, используя более одного скалярного поля, связанного со скалярной кривизной. JBD-теории, хотя и не изменяют геодезическое уравнение для пробных частиц, изменяют движение составных тел, делая его более сложным. Связь универсального скалярного поля непосредственно с гравитационным полем приводит к потенциально наблюдаемым эффектам для движения конфигураций материи, к которым гравитационная энергия вносит значительный вклад. Это известно как эффект Дикке — Нордтведа, который приводит к возможным нарушениям принципа сильной и слабой эквивалентности для протяженных масс. JBD-теории с короткодействующими скалярными полями используют, согласно теории Юкавы, массивные скалярные поля. Первая из этих теорий была предложена А. Зее в 1979 году. Он предложил теорию сломанной симметрии гравитации, объединив идею Бранса и Дикке с идеей нарушения симметрии, которая имеет важное значение в рамках Стандартной модели элементарных частиц, где нарушение симметрии приводит к генерации массы (в результате взаимодействия частиц с полем Хиггса). Зее предложил поле Хиггса Стандартной модели в качестве скалярного поля и, следовательно, поле Хиггса для генерации гравитационной постоянной. Взаимодействие поля Хиггса с частицами, приобретающими массу посредством этого взаимодействия, имеет короткий радиус действия (то есть является юкавовским) и гравитационное (из него можно получить уравнение Пуассона), даже в рамках Стандартной модели, поэтому идея Зее была использована в 1992 году для скалярно-тензорной теории с полем Хиггса в качестве скалярного поля с механизмом Хиггса. Там массивное скалярное поле связано с массами, которые в то же время являются источником скалярного поля Хиггса, генерирующего массу элементарных частиц посредством нарушения симметрии. Для исчезающего скалярного поля эти теории обычно переходят к стандартной общей теории относительности, и из-за природы массивного поля для таких теорий возможно, что параметр скалярного поля (константа связи) не должен быть таким высоким, как в стандартных JBD-теориях. Однако пока неясно, какая из этих моделей лучше объясняет наблюдаемую в природе феноменологию и действительно ли такие скалярные поля существуют или необходимы в природе. Тем не менее, JBD-теории используются для объяснения инфляции (для безмассовых скалярных полей речь идет о поле инфлатона) после Большого взрыва, а также квинтэссенции. Кроме того, они являются вариантом для объяснения динамики, обычно описываемой стандартными моделями холодной темной материи, а также MOND, аксионов (также возникающих при нарушении симметрии), MACHO.
After the postulation of the General Relativity of Einstein and Hilbert, Theodor Kaluza and Oskar Klein proposed in 1917 a generalization in a 5 dimensional manifold: Kaluza–Klein theory. This theory possesses a 5 dimensional metric (with a compactified and constant 5th metric component, dependent on the gauge potential) and unifies gravitation and electromagnetism, i. e. there is a geometrization of electrodynamics. This theory was modified in 1955 by P. Jordan in his Projective Relativity theory, in which, following group theoretical reasonings, Jordan took a functional 5th metric component that led to a variable gravitational constant G. In his original work, he introduced coupling parameters of the scalar field, to change energy conservation as well, according to the ideas of Dirac. Following the Conform Equivalence theory, multidimensional theories of gravity are conform equivalent to theories of usual General Relativity in 4 dimensions with an additional scalar field. One case of this is given by Jordan's theory, which, without breaking energy conservation (as it should be valid, following from microwave background radiation being of a black body), is equivalent to the theory of C. Brans and Robert H. Dicke of 1961, so that it is usually spoken about the Brans–Dicke theory. The Brans–Dicke theory follows the idea of modifying Hilbert Einstein theory to be compatible with Mach's principle. For this, Newton's gravitational constant had to be variable, dependent of the mass distribution in the universe, as a function of a scalar variable, coupled as a field in the Lagrangian. It uses a scalar field of infinite length scale (i. e. long ranged), so, in the language of Yukawa's theory of nuclear physics, this scalar field is a massless field. This theory becomes Einsteinian for high values for the parameter of the scalar field. In 1979, R. Wagoner proposed a generalization of scalar–tensor theories using more than one scalar field coupled to the scalar curvature. JBD theories although not changing the geodesic equation for test particles, change the motion of composite bodies to a more complex one. The coupling of a universal scalar field directly to the gravitational field gives rise to potentially observable effects for the motion of matter configurations to which gravitational energy contributes significantly. This is known as the "Dicke–Nordtvedt" effect, which leads to possible violations of the Strong as well as the Weak Equivalence Principle for extended masses. JBD type theories with short ranged scalar fields use, according to Yukawa's theory, massive scalar fields. The first of this theories was proposed by A. Zee in 1979. He proposed a Broken Symmetric Theory of Gravitation, combining the idea of Brans and Dicke with the one of Symmetry Breakdown, which is essential within the Standard Model SM of elementary particles, where the so called Symmetry Breakdown leads to mass generation (as a consequence of particles interacting with the Higgs field). Zee proposed the Higgs field of SM as scalar field and so the Higgs field to generate the gravitational constant. The interaction of the Higgs field with the particles that achieve mass through it is short ranged (i. e. of Yukawa type) and gravitational like (one can get a Poisson equation from it), even within SM, so that Zee's idea was taken 1992 for a scalar–tensor theory with Higgs field as scalar field with Higgs mechanism. There, the massive scalar field couples to the masses, which are at the same time the source of the scalar Higgs field, which generates the mass of the elementary particles through Symmetry Breakdown. For vanishing scalar field, this theories usually go through to standard General Relativity and because of the nature of the massive field, it is possible for such theories that the parameter of the scalar field (the coupling constant) does not have to be as high as in standard JBD theories. Though, it is not clear yet which of these models explains better the phenomenology found in nature nor if such scalar fields are really given or necessary in nature. Nevertheless, JBD theories are used to explain inflation (for massless scalar fields then it is spoken of the inflaton field) after the Big Bang as well as the quintessence. Further, they are an option to explain dynamics usually given through the standard cold dark matter models, as well as MOND, Axions (from Breaking of a Symmetry, too), MACHOS,
Связь с теорией струн
Общее предсказание всех моделей теории струн состоит в том, что гравитон со спином 2 имеет партнера со спином 0, называемого дилатоном. Следовательно, теория струн предсказывает, что реальная теория гравитации является скалярно-тензорной теорией, а не общей теорией относительности. Однако точная форма такой теории в настоящее время неизвестна, поскольку отсутствуют математические инструменты для проведения соответствующих непертурбативных вычислений. Более того, точная эффективная четырехмерная форма теории также сталкивается с так называемой проблемой ландшафта.
A generic prediction of all string theory models is that the spin 2 graviton has a spin 0 partner called the dilaton. Hence, string theory predicts that the actual theory of gravity is a scalar–tensor theory rather than general relativity. However, the precise form of such a theory is not currently known because one does not have the mathematical tools in order to address the corresponding non perturbative calculations. Besides, the precise effective 4 dimensional form of the theory is also confronted to the so called landscape issue.