Единая теория поля

В физике , единая теория поля , ( UFT ) является разновидностью теории поля , что позволяет все , что обычно думает как фундаментальные силы и элементарные частицы должны быть записаны в терминах паров физических и виртуальных полей. Согласно современным открытиям в физике, силы не передаются напрямую между взаимодействующими объектами, а вместо этого описываются и прерываются промежуточными объектами, называемыми полями .

Однако классически двойственность полей объединяется в единое физическое поле. ^[1] На протяжении более ста лет, единая теория поля оставалась открытой линией исследований и термин был придуман Альбертом Эйнштейном , ^[2] , который пытался объединить свою общую теорию относительности с электромагнетизмом . « Теория всего » ^[3] и теория Великого Объединения ^[4] тесно связаны с единой теорией поля, но отличаются тем, что не требуют, чтобы в основе природы были поля, и часто пытаются объяснить физические константы природы. Более ранние попытки, основанные на классической физике, описаны в статье о классических теориях единого поля .

Цель единой теории поля привела к значительному прогрессу теоретической физики будущего, и прогресс продолжается. ^{[ необходима цитата ]}

Введение [ править ]

Поля [ править ]

В этом разделе не процитировать любые источники . Пожалуйста, помогите улучшить этот раздел , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален . ( Декабрь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Стандартная модель элементарных частиц + гипотетический гравитон

Управляемая глобальным событием в универсальной топологии, операционная среда инициируется скалярными полями тензора ранга 0, дифференцируемой функции комплексной переменной в ее области при нулевой производной, где скалярная функция или характеризуется как одиночная величина с переменными компонентами соответствующих наборов координат или . ${\ displaystyle \ lambda}$ ${\ displaystyle \ phi (\ lambda) \ in \ {\ phi ^ {+} ({\ hat {x}}, \ lambda), \ phi ^ {-} ({\ check {x}}, \ lambda) \}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {+} ({\ hat {x}}, \ lambda) \ subset Y ^ {+}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {-} ({\ check {x}}, \ lambda) \ подмножество Y ^ {-}}$ ${\ displaystyle {\ hat {x}} \ {x ^ {0}, x ^ {1}, \ cdots \}}$ ${\ displaystyle {\ check {x}} \ {x_ {1}, x_ {2}, x_ {3} \}}$

Поскольку поле создается или управляется либо виртуальным, либо физическим приматом многообразия или, соответственно, и одновременно, каждая точка полей запутана и появляется как сопряженная функция скалярного поля или в своем многообразии-оппоненте. Поле можно классифицировать как скалярное поле, векторное поле или тензорное поле в зависимости от того, находится ли представленный физический горизонт в области скалярных, векторных или тензорных потенциалов, соответственно. ${\ displaystyle Y ^ {+}}$ ${\ displaystyle Y ^ {-}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {-}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {+}}$

Следовательно, при скалярных потенциалах эффекты стационарно проецируются и передаются от их обратного противника, показанного в виде следующих сопряженных пар:

{\ Displaystyle \ phi ^ {+} ({\ шляпа {х}} \ ,, \ lambda) \ ,, \ varphi ^ {-} ({\ check {x}} \ ,, \ lambda) \ qquad}

:

{\ displaystyle \ varphi ^ {-} ({\ check {x}} \ ,, \ lambda) \ mapsto \ phi ^ {+} ({\ hat {x}} \ ,, \ lambda) ^ {*} \ ,, {\ hat {x}} \ в Y ^ {+}}

\phi ^{-}({\check {x}}\,,\lambda )\,,\varphi ^{+}({\hat {x}}\,,\lambda )\qquad

:

\varphi ^{+}({\hat {x}}\,,\lambda )\mapsto \phi ^{-}({\check {x}}\,,\lambda )^{*}\,,{\check {x}}\in Y^{-}

где * обозначает комплексное сопряжение. Конъюгат поле от скалярного потенциала отображается в области в коллекторе, и наоборот , что сопряженное поле из скалярного потенциала отображается в поле в коллекторе. В математике, если f (z) - голоморфная функция, ограниченная действительными числами, она обладает комплексно сопряженными свойствами f (z) = f * (z *), что приводит к приведенному выше уравнению, когда оно удовлетворяется. $\phi ^{-}=(\varphi ^{+})^{*}$ $Y^{+}$ $Y^{-}$ $\phi ^{+}=(\varphi ^{-})^{*}$ $Y^{-}$ $Y^{+}$ ${\hat {x}}^{*}={\check {x}}$

Силы [ править ]

Все четыре известные фундаментальные силы опосредуются полями, которые в Стандартной модели физики элементарных частиц возникают в результате обмена калибровочными бозонами . В частности, необходимо объединить четыре фундаментальных взаимодействия:

Сильное взаимодействие : взаимодействие, отвечающее за удержание кварков вместе, чтобы образовать адроны , и удержание нейтронов, а также протонов вместе, чтобы сформировать атомные ядра . Обменная частица, передающая эту силу, - глюон .
Электромагнитное взаимодействие : знакомое взаимодействие, которое действует на электрически заряженные частицы. Фотона является обмен частицами для этой силы.
Слабое взаимодействие : короткодействующее взаимодействие, ответственное за некоторые формы радиоактивности , которое действует на электроны , нейтрино и кварки. Оно опосредуется W и Z бозоны .
Гравитационное взаимодействие : дальнодействующее притягивающее взаимодействие, которое действует на все частицы. Постулируемая обменная частица была названа гравитоном .

Современная теория единого поля пытается объединить эти четыре взаимодействия в единую структуру.

История [ править ]

Классическая теория [ править ]

Первая успешная классическая единая теория поля была разработана Джеймсом Клерком Максвеллом . В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрические токи действуют на магниты , а в 1831 году Майкл Фарадей заметил, что изменяющиеся во времени магнитные поля могут индуцировать электрические токи. До этого электричество и магнетизм считались не связанными друг с другом явлениями. В 1864 году Максвелл опубликовал свою знаменитую работу по динамической теории электромагнитного поля.. Это был первый пример теории, которая смогла охватить ранее отдельные теории поля (а именно электричество и магнетизм), чтобы обеспечить объединяющую теорию электромагнетизма. К 1905 году Альберт Эйнштейн использовал постоянство скорости света в теории Максвелла для объединения наших представлений о пространстве и времени в единое целое, которое мы теперь называем пространством-временем, а в 1915 году он расширил эту специальную теорию относительности до описания гравитации, общей теории относительности. , используя поле для описания искривленной геометрии четырехмерного пространства-времени.

В годы, прошедшие после создания общей теории, большое количество физиков и математиков с энтузиазмом участвовало в попытке объединить известные тогда фундаментальные взаимодействия. ^[5] Ввиду более поздних разработок в этой области особый интерес представляют теории Германа Вейля 1919 года, который ввел понятие (электромагнитного) калибровочного поля в классическую теорию поля ^[6] и, два года спустя, что из Калуца , который расширил общую теорию относительности до пяти измерений . ^[7] Продолжение в этом последнем направлении, Оскар Клейн предложил в 1926 году , что четвертое пространственное измерение будет свернувшисьв небольшой незаметный круг. В теории Калуцы – Клейна гравитационная кривизна дополнительного пространственного направления ведет себя как дополнительная сила, подобная электромагнетизму. Эти и другие модели электромагнетизма и гравитации использовались Альбертом Эйнштейном в его попытках создания классической единой теории поля . К 1930 году Эйнштейн уже рассмотрел систему Эйнштейна – Максвелла – Дирака [Донген]. Эта система (эвристически) является суперклассическим пределом [Варадараджана] квантовой электродинамики (математически неточно определенной) . Эту систему можно расширить, включив в нее слабые и сильные ядерные взаимодействия, чтобы получить систему Эйнштейна – Янга – Миллса – Дирака. Французский физик Мария-Антуанетта Тоннелаопубликовал работу 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 Мендель Сакс предложил общековариантную теорию поля, которая не требовала обращения к перенормировкам или теории возмущений. В 1965 году Тоннелат опубликовал книгу о состоянии исследований единых теорий поля.

Современный прогресс [ править ]

В 1963 году американский физик Шелдон Глэшоу предположил, что слабое ядерное взаимодействие , электричество и магнетизм могут возникать из частично объединенной электрослабой теории . В 1967 году пакистанец Абдус Салам и американец Стивен Вайнберг независимо друг от друга пересмотрели теорию Глэшоу, установив, что массы W-частицы и Z-частицы возникают из-за спонтанного нарушения симметрии с механизмом Хиггса . Эта единая теория моделировала электрослабое взаимодействиекак сила, опосредованная четырьмя частицами: фотоном для электромагнитного аспекта и нейтральной Z-частицей и двумя заряженными W-частицами для слабого аспекта. В результате спонтанного нарушения симметрии слабое взаимодействие становится короткодействующим, и бозоны W и Z приобретают массы 80,4 и91,2 ГэВ / c ² соответственно. Их теория была впервые экспериментально подтверждена открытием слабых нейтральных токов в 1973 году. В 1983 году Z- и W-бозоны были впервые получены в ЦЕРНе командой 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 Хофт показал, что электрослабые взаимодействия Глэшоу – Вайнберга – Салама математически согласованы, теория электрослабого взаимодействия стала шаблоном для дальнейших попыток объединения сил. В 1974 году Шелдон Глэшоу и Ховард Джорджи предложили объединить сильное и электрослабое взаимодействия в модель Джорджи – Глэшоу , первую теорию Великого Объединения , которая имела бы наблюдаемые эффекты для энергий намного выше 100 ГэВ.

С тех пор появилось несколько предложений по теории Великого Объединения, например, модель Пати – Салама , хотя ни одно из них в настоящее время не является общепринятым. Основная проблема экспериментальной проверки таких теорий - это масштаб энергии, который находится далеко за пределами досягаемости современных ускорителей . Теории Великого Объединения предсказывают относительную силу сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий , а в 1991 году LEP определила, что суперсимметричные теории имеют правильное соотношение связей для теории Великого Объединения Джорджи – Глэшоу.

Многие теории Великого Объединения (но не Пати-Салам) предсказывают, что протон может распадаться , и, если бы это было видно, детали продуктов распада могли бы дать намек на другие аспекты теории Великого Объединения. В настоящее время неизвестно, может ли протон распадаться, хотя эксперименты определили нижнюю границу его жизни в 10 ³⁵ лет.

Текущий статус [ править ]

Физики-теоретики еще не сформулировали широко принятую, последовательную теорию, которая объединяет общую теорию относительности и квантовую механику, чтобы создать теорию всего . Попытка объединить гравитон с сильным и электрослабым взаимодействиями приводит к фундаментальным трудностям, и получившуюся теорию нельзя перенормировать . Несовместимость двух теорий остается нерешенной проблемой в области физики.

См. Также [ править ]

Шелдон Глэшоу

Ссылки [ править ]

^ Эрнан McMullin (2002). «Истоки концепции поля в физике» (PDF) . Phys. Перспектива . 4 (1): 13–39. Bibcode : 2002PhP ..... 4 ... 13М . DOI : 10.1007 / s00016-002-8357-5 . S2CID 27691986 .
^ «Как поиск единой теории поставил Эйнштейна в тупик до его смерти» . Phys.org .
↑ Стивен В. Хокинг (28 февраля 2006 г.). Теория всего: происхождение и судьба Вселенной . Книги Феникса; Special Anniv. ISBN 978-1-59777-508-3.
^ Росс, Г. (1984). Теории Великого Объединения . Westview Press . ISBN 978-0-8053-6968-7.
^ См. Кэтрин Гольдштейн и Джим Риттер (2003) «Разновидности единства: звучание единых теорий 1920-1930 гг.» У А. Аштекара и др. (ред.), Возвращаясь к основам релятивистской физики , Dordrecht, Kluwer, p. 93-149; Владимир Визгин (1994), Единые теории поля в первой трети 20 века , Базель, Биркхойзер; Хуберт Геннер по истории унифицированных теорий поля. Архивировано 5 августа 2011 г.в Wayback Machine .
^ Эрхард Шольц (редактор) (2001),Раум Германа Вейля - Zeit-Materie и общее введение в его научную работу , Базель, Биркхойзер.
^ Daniela Wuensch (2003), "Пятое измерение: новаторская идея Теодора Калуцы", Annalen дер Physik , т. 12, стр. 519–542.

Внешние ссылки [ править ]

В Викицитатнике есть цитаты по теме: Единая теория поля.

Объединение Йеруна ван Донгена Эйнштейна , Cambridge University Press (26 июля 2010 г.)
Варадараджан, VS Суперсимметрия для математиков: Введение (Конспект лекций Куранта) , Американское математическое общество (июль 2004 г.)
К истории единой теории поля , Гильбер Ф.М. Геннер

[1] Эрнан McMullin (2002). «Истоки концепции поля в физике» (PDF) . Phys. Перспектива . 4 (1): 13–39. Bibcode : 2002PhP ..... 4 ... 13М . DOI : 10.1007 / s00016-002-8357-5 . S2CID 27691986 .

[2] «Как поиск единой теории поставил Эйнштейна в тупик до его смерти» . Phys.org .

[Hawking2006-3] Стивен В. Хокинг (28 февраля 2006 г.). Теория всего: происхождение и судьба Вселенной . Книги Феникса; Special Anniv. ISBN 978-1-59777-508-3.

[4] Росс, Г. (1984). Теории Великого Объединения . Westview Press . ISBN 978-0-8053-6968-7.

[5] См. Кэтрин Гольдштейн и Джим Риттер (2003) «Разновидности единства: звучание единых теорий 1920-1930 гг.» У А. Аштекара и др. (ред.), Возвращаясь к основам релятивистской физики , Dordrecht, Kluwer, p. 93-149; Владимир Визгин (1994), Единые теории поля в первой трети 20 века , Базель, Биркхойзер; Хуберт Геннер по истории унифицированных теорий поля. Архивировано 5 августа 2011 г.в Wayback Machine .

[6] Эрхард Шольц (редактор) (2001),Раум Германа Вейля - Zeit-Materie и общее введение в его научную работу , Базель, Биркхойзер.

[7] Daniela Wuensch (2003), "Пятое измерение: новаторская идея Теодора Калуцы", Annalen дер Physik , т. 12, стр. 519–542.

[1]