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 для будущей теоретической физики, и прогресс продолжается. [ необходима цитата ]
Вступление
Поля
Управляется глобальным событием при универсальной топологии операционная среда инициируется скалярными полями тензора ранга 0, дифференцируемой функции комплексной переменной в ее области определения при нулевой производной, где скалярная функция или же характеризуется как одна величина с переменными компонентами соответствующих наборов координат или же .
Поскольку поле создается или управляется виртуальным или физическим приоритетом или же многообразие соответственно и одновременно, каждая точка полей запутана и появляется как сопряженная функция скалярного поля или же в своем противнике многообразие. 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.
Следовательно, при скалярных потенциалах эффекты стационарно проецируются и передаются от своего обратного противника, показанного в виде следующих сопряженных пар:
- :
- :
где * обозначает комплексное сопряжение. Сопряженное поле принадлежащий скалярный потенциал отображается в поле в многообразие, и наоборот, сопряженное поле принадлежащий скалярный потенциал отображается в поле в многообразие. 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 доволен.
Силы
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, ответственное за удержание кварков вместе, чтобы образовать адроны , и удерживание нейтронов, а также протонов вместе, чтобы сформировать атомные ядра . Обменной частицей, передающей эту силу, является 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. Он опосредуется W- и Z-бозонами .
- Гравитационное взаимодействие : дальнодействующее притягивающее взаимодействие, действующее на все частицы. Постулируемая обменная частица была названа гравитоном .
Современная единая теория поля пытается объединить эти четыре взаимодействия в единую структуру.
История
Классическая теория
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, чтобы объединить наши представления о пространстве и времени в сущность, которую 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 изгибающейся геометрии четырехмерного пространства-времени.
В годы, прошедшие после создания общей теории, большое количество физиков и математиков с энтузиазмом участвовало в попытке унифицировать 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] Продолжая в этом последнем направлении, Оскар Клейн , предложенной в 1926 году , что четвертое пространственное измерение быть свернувшись в маленький, ненаблюдаемой 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 создать классическую единую теорию поля . К 1930 году Эйнштейн уже рассмотрел систему Эйнштейна – Максвелла – Дирака [Донген]. Эта система (эвристически) является суперклассическим [Варадараджаном] пределом (математически неточно определенной) квантовой электродинамики . Можно расширить эту систему, включив в нее слабые и сильные ядерные взаимодействия, чтобы получить систему Эйнштейна – Янга – Миллса – Дирака. Французский физик Мария-Антуанетта Тоннелат опубликовала в начале 1940-х годов статью 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, не требующую обращения к перенормировкам или теории возмущений. В 1965 году Тоннелат опубликовал книгу о состоянии исследований единых теорий поля.
Современный прогресс
В 1963 году американский физик Шелдон Глэшоу предположил, что слабое ядерное взаимодействие , электричество и магнетизм могут возникнуть в результате 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 в результате спонтанного нарушения симметрии с помощью механизма 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, 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 группой Карло Руббиа . За свои открытия Глэшоу, Салам и Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в 1979 году. Карло Руббиа и Симон ван дер Меер получили премию в 1984 году.
После того как Герардус т Хоофт 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-Салам , 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 , и в 1991 году LEP определила, что суперсимметричные теории имеют правильное соотношение взаимодействий 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.
Текущее состояние
Физики-теоретики еще не сформулировали широко принятую, последовательную теорию, которая объединяет общую теорию относительности и квантовую механику, чтобы сформировать 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. Предполагается, что силовая установка НЛО на практике спроектирована с применением UTF.
Смотрите также
- Шелдон Глэшоу
Рекомендации
- ^ Эрнан McMullin (2002). «Истоки концепции поля в физике» (PDF) . Phys. Перспектива . 4 (1): 13–39. Bibcode : 2002PhP ..... 4 ... 13M . DOI : 10.1007 / s00016-002-8357-5 . S2CID 27691986 .
- ^ «Как поиск единой теории поставил Эйнштейна в тупик до самой смерти» . Phys.org .
- ^ Стивен У. 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.» В A. Ashtekar, et al. (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
- Объединение Йеруна ван Донгена Эйнштейна , Cambridge University Press (26 июля 2010 г.)
- Варадараджан, В. С. Суперсимметрия для математиков: введение (лекции Куранта) , Американское математическое общество (июль 2004 г.)
- К истории единых теорий поля , Гильбер Ф.М. Геннер