В физике единая теория поля ( UFT ) — это тип теории поля , которая позволяет все, что обычно считается фундаментальными силами и элементарными частицами , записывать в терминах пары физических и виртуальных полей. Согласно современным открытиям в физике, силы не передаются напрямую между взаимодействующими объектами, а вместо этого описываются и интерпретируются промежуточными сущностями, называемыми полями . [1]
Однако дуальность полей объединяется в единое физическое поле. [2] Более века единая теория поля оставалась открытым направлением исследований. Этот термин был придуман Альбертом Эйнштейном , [3] который пытался объединить свою общую теорию относительности с электромагнетизмом . « Теория всего » [4] и Великая унифицированная теория [5] тесно связаны с единой теорией поля, но отличаются тем, что не требуют, чтобы основой природы были поля, и часто пытаются объяснить физические константы природы . Более ранние попытки, основанные на классической физике, описаны в статье о классических единых теориях поля .
Цель единой теории поля привела к значительному прогрессу в будущей теоретической физике , и этот прогресс продолжается. [6]
Все четыре известные фундаментальные силы опосредованы полями, которые в Стандартной модели физики элементарных частиц возникают в результате обмена калибровочными бозонами . В частности, четыре фундаментальных взаимодействия, которые должны быть объединены, это:
Современная единая теория поля пытается объединить эти четыре силы и материю в единую структуру.
Первая успешная классическая единая теория поля была разработана Джеймсом Клерком Максвеллом . В 1820 году Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что электрические токи оказывают воздействие на магниты , в то время как в 1831 году Майкл Фарадей сделал наблюдение, что изменяющиеся во времени магнитные поля могут индуцировать электрические токи. До этого электричество и магнетизм считались не связанными между собой явлениями. В 1864 году Максвелл опубликовал свою знаменитую статью о динамической теории электромагнитного поля . Это был первый пример теории, которая смогла охватить ранее отдельные теории поля (а именно электричество и магнетизм), чтобы предоставить единую теорию электромагнетизма. К 1905 году Альберт Эйнштейн использовал постоянство скорости света в теории Максвелла, чтобы объединить наши представления о пространстве и времени в сущность, которую мы теперь называем пространством-временем . В 1915 году он расширил эту теорию специальной теории относительности до описания гравитации, общей теории относительности , используя поле для описания искривленной геометрии четырехмерного (4D) пространства-времени.
В годы, последовавшие за созданием общей теории, большое количество физиков и математиков с энтузиазмом участвовали в попытке объединить известные тогда фундаментальные взаимодействия. [7] Учитывая более поздние разработки в этой области, особый интерес представляют теории Германа Вейля 1919 года, который ввел понятие (электромагнитного) калибровочного поля в классическую теорию поля [8], и, два года спустя, теория Теодора Калуцы , который расширил Общую теорию относительности до пяти измерений . [9] Продолжая это последнее направление, Оскар Клейн предложил в 1926 году, чтобы четвертое пространственное измерение было свернуто в небольшой, ненаблюдаемый круг. В теории Калуцы-Клейна гравитационное искривление дополнительного пространственного направления ведет себя как дополнительная сила, подобная электромагнетизму. Эти и другие модели электромагнетизма и гравитации были исследованы Альбертом Эйнштейном в его попытках создать классическую единую теорию поля . К 1930 году Эйнштейн уже рассмотрел систему Эйнштейна-Максвелла-Дирака [Донген]. Эта система является (эвристически) суперклассическим [Варадараджана] пределом (математически не вполне определенной) квантовой электродинамики . Эту систему можно расширить, включив в нее слабые и сильные ядерные силы, чтобы получить систему Эйнштейна-Янга-Миллса-Дирака. Французский физик Мария-Антуанетта Тоннела опубликовала статью в начале 1940-х годов о стандартных коммутационных соотношениях для квантованного поля со спином 2. Она продолжила эту работу в сотрудничестве с Эрвином Шредингером после Второй мировой войны . В 1960-х годах Мендель Сакс предложил общековариантную теорию поля, которая не требовала обращения к перенормировке или теории возмущений. В 1965 году Тоннела опубликовал книгу о состоянии исследований единых теорий поля.
В 1963 году американский физик Шелдон Глэшоу предположил, что слабое ядерное взаимодействие , электричество и магнетизм могут возникнуть из частично объединенной электрослабой теории . В 1967 году пакистанец Абдус Салам и американец Стивен Вайнберг независимо друг от друга пересмотрели теорию Глэшоу, заставив массы для частицы W и частицы Z возникать посредством спонтанного нарушения симметрии с механизмом Хиггса . Эта объединенная теория моделировала электрослабое взаимодействие как силу, опосредованную четырьмя частицами: фотоном для электромагнитного аспекта, нейтральной частицей Z и двумя заряженными частицами W для слабого аспекта. В результате спонтанного нарушения симметрии слабое взаимодействие становится короткодействующим, а бозоны W и Z приобретают массы 80,4 и91,2 ГэВ/c 2 , соответственно. Их теория впервые получила экспериментальное подтверждение благодаря открытию слабых нейтральных токов в 1973 году. В 1983 году Z- и W-бозоны были впервые получены в ЦЕРНе группой Карло Руббиа . За свои открытия Глэшоу, Салам и Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в 1979 году. Карло Руббиа и Саймон ван дер Меер получили премию в 1984 году.
После того, как Герардус 'т Хоофт показал, что электрослабые взаимодействия Глэшоу–Вайнберга–Салама математически непротиворечивы, электрослабая теория стала шаблоном для дальнейших попыток объединения сил. В 1974 году Шелдон Глэшоу и Говард Джорджи предложили объединить сильные и электрослабые взаимодействия в модель Джорджи–Глэшоу , первую Великую объединенную теорию , которая имела бы наблюдаемые эффекты для энергий намного выше 100 ГэВ.
С тех пор было сделано несколько предложений по теориям Великого объединения, например, модель Пати–Салама , хотя ни одна из них в настоящее время не является общепринятой. Основной проблемой для экспериментальных проверок таких теорий является задействованный масштаб энергии, который находится далеко за пределами досягаемости современных ускорителей . Теории Великого объединения делают прогнозы относительной силы сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий, и в 1991 году LEP определил, что суперсимметричные теории имеют правильное соотношение связей для теории Великого объединения Джорджи–Глэшоу.
Многие теории Великого объединения (но не Пати–Салама) предсказывают, что протон может распадаться , и если бы это было видно, детали продуктов распада могли бы дать намёки на большее количество аспектов теории Великого объединения. В настоящее время неизвестно, может ли протон распадаться, хотя эксперименты определили нижнюю границу в 10 35 лет для его жизни.
Физики-теоретики еще не сформулировали общепринятую, последовательную теорию, которая объединяет общую теорию относительности и квантовую механику, чтобы сформировать теорию всего . Попытка объединить гравитон с сильным и электрослабым взаимодействием приводит к фундаментальным трудностям, и полученная теория не перенормируема . Несовместимость двух теорий остается нерешенной проблемой в области физики.
