Единая теория поля

редактировать

тип теория физического поля, объединяющая фундаментальные силы

В физике, единая теория поля (UFT ) является разновидностью теории поля, который позволяет записать все, что обычно считается фундаментальными силами и элементарными частицами, в терминах пары физического и виртуального 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.. Более века единая теория поля оставалась открытым направлением исследований, и этот термин был придуман Альбертом Эйнштейном, который попытался объединить свою общую теорию относительности с электромагнетизмом.. «Теория Всего » и Теория Великого Объединения тесно связаны с единой теорией поля, но отличаются тем, что не требуют, чтобы в основе природы лежали поля, и часто пытаются объяснить физические константы природы. Более ранние попытки, основанные на классической физике, описаны в статье классических унифицированных теорий поля.

. Цель единой теории поля привела к значительному прогрессу для будущего теоретической физики, и прогресс продолжается.

Содержание

1 Введение
- 1.1 Поля
- 1.2 Силы
2 История
- 2.1 Классическая теория
- 2.2 Современный прогресс
- 2.3 Текущее состояние
3 См. Также
4 Ссылки
5 Внешние ссылки

Введение

Поля

Стандартная модель элементарных частиц + гипотетический гравитон

, управляемый глобальным событием $λ {\ displaystyle \ lambda }$ $\ lambda$ при универсальной топологии операционная среда инициируется скалярными полями $ϕ (λ) ∈ {ϕ + (x ^, λ), ϕ - (x ˇ, λ)} {\ displaystyle \ phi (\ lambda) \ in \ {\ phi ^ {+} ({\ hat {x}}, \ lambda), \ phi ^ {-} ({\ check {x}}, \ lambda) \} }$ ${\ displaystyle \ phi (\ lambda) \ in \ {\ phi ^ {+} ({\ hat {x}}, \ lambda), \ phi ^ {-} ({\ check {x} }, \ лямбда) \}}$ тензора ранга 0, дифференцируемой функции комплексной переменной в ее области определения при нулевой производной, где sca нар. функция $ϕ + (x ^, λ) ⊂ Y + {\ displaystyle \ phi ^ {+} ({\ hat {x}}, \ lambda) \ subset Y ^ {+}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {+ } ({\ hat {x}}, \ lambda) \ subset Y ^ {+}}$ или $ϕ - (x ˇ, λ) ⊂ Y - {\ displaystyle \ phi ^ {-} ({\ check {x}}, \ lambda) \ subset Y ^ {-}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {-} ({\ check {x}}, \ lambda) \ subset Y ^ {-}}$ характеризуется как одна величина с переменными компонентами соответствующих наборов координат $x ^ {x 0, x 1, ⋯} {\ displaystyle {\ hat {x}} \ {x ^ {0}, x ^ { 1}, \ cdots \}}$ ${\ displaystyle {\ hat {x}} \ {x ^ {0}, x ^ {1}, \ cdots \}}$ или $x ˇ {x 1, x 2, x 3} {\ displaystyle {\ check {x}} \ {x_ {1}, x_ {2 }, x_ {3} \}}$ ${\ displaystyle {\ check {x}} \ {x_ {1}, x_ {2}, x_ {3} \}}$ .

Поскольку поле создается или используется с виртуальным или физическим приоритетом $Y + {\ displaystyle Y ^ {+}}$ ${\ displaystyle Y ^ {+}}$ или $Y - {\ displaystyle Y ^ {-}}$ ${ \ displaystyle Y ^ {-}}$ многообразие соответственно и одновременно каждая точка полей сцепляется со скалярным полем и появляется как сопряженная функция со скалярным полем $ϕ - {\ displaystyle \ phi ^ {-}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {-}}$ или $ϕ + {\ displaystyle \ phi ^ {+}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {+}}$ во множестве оппонента. 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 их обратного противника, показанного в виде следующих сопряженных пар:

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

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

φ - (x ˇ, λ) ↦ ϕ + (x ^, λ) ∗, x ^ ∈ Y + {\ displaystyle \ varphi ^ {-} ({\ check {x}} \,, \ лямбда) \ mapsto \ phi ^ {+} ({\ hat {x}} \,, \ lambda) ^ {*} \,, {\ hat {x}} \ в Y ^ {+}}

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

ϕ - (Икс ˇ, λ), φ + (x ^, λ) {\ Displaystyle \ phi ^ {-} ({\ check {x}} \,, \ lambda) \,, \ varphi ^ {+} ({ \ шляпа {х}} \,, \ лямбда) \ qquad}

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

φ + (x ^, λ) ↦ ϕ - (x ˇ, λ) ∗, x ˇ ∈ Y - {\ displaystyle \ varphi ^ {+ } ({\ hat {x}} \,, \ lambda) \ mapsto \ phi ^ {-} ({\ check {x}} \,, \ lambda) ^ {*} \,, {\ check {x} } \ in Y ^ {-}}

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

где * обозначает комплексное сопряжение. Сопряженное поле $ϕ - = (φ +) ∗ {\ displaystyle \ phi ^ {-} = (\ varphi ^ {+}) ^ {*}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {-} = (\ varphi ^ {+}) ^ {*}}$ из $Y + {\ displaystyle Y ^ {+}}$ ${\ displaystyle Y ^ {+}}$ скалярный потенциал отображается в поле в многообразии $Y - {\ displaystyle Y ^ {-}}$ ${ \ displaystyle Y ^ {-}}$ , и наоборот, что сопряженное поле $ϕ + = (φ -) ∗ {\ displaystyle \ phi ^ {+} = (\ varphi ^ {-}) ^ {*}}$ ${\ displaystyle \ phi ^ {+} = (\ varphi ^ {-}) ^ {*}}$ из $Y - {\ displaystyle Y ^ {-}}$ ${ \ displaystyle Y ^ {-}}$ скалярный потенциал отображается в поле в многообразии $Y + {\ displaystyle Y ^ {+}}$ ${\ displaystyle Y ^ {+}}$ . 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 $x ^ ∗ = x ˇ {\ displaystyle {\ hat {x}} ^ {*} = {\ check {x}}}$ ${\ displaystyle {\ hat {x}} ^ {*} = {\ check {x}}}$ удовлетворен.

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 с образованием адронов и удержание нейтронов, а также протоны вместе с образованием атомных ядер. Обменная частица, которая опосредует эту силу, - это глюон.
Электромагнитное взаимодействие : знакомое взаимодействие, которое действует на электрически заряженные частицы. фотон является обменной частицей для этой силы.
Слабое взаимодействие : короткодействующее взаимодействие, ответственное за некоторые формы радиоактивности, которое действует на электроны, нейтрино и кварки. Оно опосредуется W- и Z-бозонами.
Гравитационным взаимодействием : дальнодействующим притягивающим взаимодействием, которое действует 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 воздействуют на магниты, а в 1831 году Майкл Фарадей сделал наблюдение того времени. - изменяющиеся магнитные поля могут вызывать 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 это теория специальной теории относительности к описанию гравитации, общая теория относительности, с использованием поля для описания искривленной геометрии четырехмерного пространства-времени.

В годы, прошедшие после создания общей теории, большое количество физиков и математиков с энтузиазмом участвовали в попытке объединить известные тогда фундаментальные взаимодействия. Ввиду более поздних разработок в этой области особый интерес представляют теории Германа Вейля 1919 г., который ввел понятие (электромагнитного) калибровочного поля в классическую теорию поля и, двумя годами позже, Теодора Калуцы, расширившего общую теорию относительности до пяти измерений. Продолжая в этом последнем направлении, Оскар Кляйн в 1926 году предложил, чтобы четвертое пространственное измерение было свернуто в небольшой ненаблюдаемый 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 классической единой теории поля. К 1930 году Эйнштейн уже рассмотрел систему Эйнштейна – Максвелла – Дирака [Донген]. Эта система (эвристически) является суперклассическим пределом [Варадараджана] (математически не вполне определенной) квантовой электродинамики. Эту систему можно расширить, 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-е годы 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 из частично объединенного электрослабая теория. В 1967 г. пакистанец Абдус Салам и американец Стивен Вайнберг независимо друг от друга пересмотрели теорию Глэшоу, установив, что массы возникают для частицы W и частицы Z. через спонтанное нарушение симметрии с помощью механизма Хиггса. Эта единая теория моделирует 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 и 91,2 ГэВ / c 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 CERN 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 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 могла бы быть наблюдаемой. эффекты для энергий намного выше 100 ГэВ.

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

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 Теория Великого Объединения. В настоящее время неизвестно, может ли протон распадаться, хотя эксперименты определили нижнюю границу его жизни в 10 лет.

Текущий статус

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

См. Также

Шелдон Глэшоу

Ссылки

Внешние ссылки

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: Теорией единого поля

Йерун ван Донген Эйнштейн. Unification, Cambridge University Press (26 июля 2010 г.)
Варадараджан, В.С. Суперсимметрия для математиков: Введение (Лекционные заметки Куранта), Американское математическое общество (июль 2004 г.)
По истории унифицированных теорий поля, Хьюберт Ф.М. Геннер