Unified field theory , UFT ( eng. unified field theory , UFT ) [a] on eräänlainen kenttäteoria , jonka avulla voit kirjoittaa kaiken, mitä yleensä pidetään perusvoimina ja alkeishiukkasina fyysisten ja virtuaalisten kenttien kannalta. Nykyaikaisten käsitteiden mukaan voimia ei siirretä suoraan vuorovaikutuksessa olevien objektien välillä, vaan väliobjektien kautta, joita kutsutaan kentäksi .
UTP:n tavoitteena on kaikkien tunnettujen fysikaalisten ilmiöiden yhtenäinen kuvaus yhden ensisijaisen kentän perusteella . Historiallisesti on ollut sekä klassisia että kvantti-ETP:itä, joista yksi nykyaikaisista esimerkeistä on merkkijonoteoria [1] .
Klassisen teorian näkökulmasta kenttien kaksinaisuus yhdistetään yhdeksi fysikaaliseksi kenttään [2] . Yhtenäisen kentän teoria on ollut ajankohtainen tutkimusalue yli vuosisadan. Termin otti käyttöön Albert Einstein [3] , joka yritti yhdistää laatimansa yleisen suhteellisuusteorian sähkömagnetismiin [4] . Einstein palautti Spinozan klassisen maailmanihanteen , koska se oli hänen maailmankatsomuksensa perusta, suhteellisuusteoriassa ja laajensi 1600-luvulla löydetyn suhteellisuusperiaatteen koskemaan uusia 1800-luvulla löydettyjä ilmiöitä. Einstein sulki absoluuttiset kiihdytetyt liikkeet pois maailmankuvasta, mutta hän ei päässyt pidemmälle [5] .
Suuret yhtenäisteoriat [6] liittyvät läheisesti yhtenäisen kentän teoriaan, mutta eroavat toisistaan siinä, että ne eivät edellytä luonnon perustuvan kenttiin, ja ne yrittävät usein selittää luonnon fyysisiä vakioita. Klassiseen fysiikkaan perustuvia aikaisempia yrityksiä on kuvattu klassista yhtenäistä kenttäteoriaa käsittelevässä artikkelissa . Yhtenäisen kentän teorian käsite on johtanut merkittävään edistykseen teoreettisessa fysiikassa .
Kaikki neljä tunnettua perusvoimaa välittyvät kentillä, jotka hiukkasfysiikan standardimallissa syntyvät mittabosonien vaihdon seurauksena . Erityisesti neljä perusvuorovaikutusta on yhdistettävä:
Moderni yhtenäinen kenttäteoria yrittää yhdistää nämä neljä voimaa ja ainetta yhdeksi rakenteeksi.
Ensimmäisen onnistuneen klassisen yhtenäisen kentän teorian kehitti James Clerk Maxwell . Vuonna 1820 Hans Christian Oersted havaitsi, että sähkövirrat vaikuttavat magneetteihin , ja vuonna 1831 Michael Faraday huomasi, että ajassa vaihtelevat magneettikentät voivat aiheuttaa sähkövirtoja. Ennen sitä sähköä ja magnetismia pidettiin ilmiöinä, jotka eivät liittyneet toisiinsa. Vuonna 1864 Maxwell julkaisi kuuluisan työnsä sähkömagneettisen kentän dynaamisesta teoriasta. Se oli ensimmäinen esimerkki teoriasta, joka kykeni omaksumaan erilaisia kenttäteorioita, nimittäin sähkön ja magnetismin, ja yhdistämään ne yleiseksi sähkömagnetismin teoriaksi. Vuoteen 1905 mennessä Albert Einstein käytti Maxwellin teorian valonnopeuden vakioisuutta yhdistääkseen tilan ja ajan käsitteen yhdeksi kokonaisuudeksi, jota nyt kutsumme aika- avaruusajaksi, ja vuonna 1915 hän laajensi tätä erityistä suhteellisuusteoriaa kuvaamaan painovoimaa, yleisteoriaa. suhteellisuusteoriasta.. ,
Yleisen teorian luomisesta kuluneiden vuosien aikana monet fyysikot ja matemaatikot osallistuivat innostuneesti yritykseen yhdistää tuolloin tunnettuja perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia. Erityisen kiinnostavia ovat Hermann Weylin teokset vuonna 1919. Hän esitteli mittarikentän käsitteen klassiseen kenttäteoriaan [7] ; Theodor Kaluzan teoria , joka laajensi yleisen suhteellisuusteorian viiteen ulottuvuuteen [8] . Kaluza -Kleinin teoriassa ylimääräisen spatiaalisen ulottuvuuden gravitaatiokaarevuus käyttäytyy ylimääräisenä voimana, kuten sähkömagnetismi. Albert Einstein käytti näitä ja muita sähkömagnetismin ja painovoiman malleja yrittäessään luoda klassisen yhtenäisen kenttäteorian. Vuoteen 1930 mennessä Einstein oli jo harkinnut Einstein-Maxwell-Dirac-järjestelmää. Tämä järjestelmä on (matemaattisesti epätarkasti määritellyn) kvanttielektrodynamiikan raja . Kun heikko ja vahva ydinvuorovaikutus sisällytetään tähän järjestelmään, saadaan Einstein -Yang-Mills- Dirac-järjestelmä. Ranskalainen fyysikko Marie Antoinette Tonnelat julkaisi 1940-luvun alussa artikkelin spin-2-kvantisoidun kentän standardikommutaatiosuhteista. Hän jatkoi tätä työtä yhteistyössä Erwin Schrödingerin kanssa toisen maailmansodan jälkeen . 1960-luvulla Mendel Sachs ehdotti yleistä kovarianssikenttäteoriaa, joka ei vaatinut turvautumista renormalisoinneille tai häiriöteorialle .
Vuonna 1968 Wolfgang Pauli piti luennon Columbian yliopistossa , jossa hän hahmotteli Heisenberg-Pauli yhtenäisen kentän teorian . Niels Bohr oli yleisössä . Luennon jälkeen hän nousi seisomaan ja sanoi: ”Me galleriassa olemme vakuuttuneita siitä, että teoriasi on hullu. Olimme kuitenkin eri mieltä siitä, oliko hän tarpeeksi hullu." Tämä huomautus herätti kiivasta keskustelua, jossa Pauli väitti, että hänen teoriansa oli tarpeeksi hullu ollakseen totta, kun taas toiset sanoivat, että siitä puuttui hulluutta. Lisäksi osoitettiin, että Bohr oli oikeassa: Paulin esittämä teoria oli väärä [9] .
Vuonna 1963 amerikkalainen fyysikko Sheldon Glashow ehdotti, että heikko ydinvoima , sähkö ja magnetismi voisivat syntyä osittain yhtenäisestä sähköheikon teoriasta . Vuonna 1967 pakistanilainen Abdus Salam ja amerikkalainen Steven Weinberg tarkistivat itsenäisesti Glashow'n teoriaa ja totesivat, että W- ja Z-hiukkasten massat syntyvät spontaanin symmetrian rikkoutumisesta Higgsin mekanismin kanssa . Tämä yhtenäinen teoria mallinsi sähköheikon voiman neljän hiukkasen välittämänä voimana: fotoni sähkömagneettista puolta varten, neutraali hiukkanen Z ja kaksi varautunutta hiukkasta W heikkoa puolta varten. Spontaanien symmetrian murtumisen seurauksena heikko vuorovaikutus muuttuu lyhyeksi ja W- ja Z-bosonit saavat massat 80,4 ja 91,2 GeV/c 2 vastaavasti. Heidän teoriansa vahvistettiin ensimmäisen kerran kokeellisesti, kun heikot neutraalivirrat löydettiin vuonna 1973. Vuonna 1983 Carlo Rubbian tiimi hankki Z- ja W-bosonit ensimmäisen kerran CERNissä . Glashow, Salam ja Weinberg saivat löytöistään fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1979 . Carlo Rubbia ja Simon van der Meer saivat tämän palkinnon vuonna 1984.
Sen jälkeen kun Gerardus 't Hooft osoitti, että sähköheikot Glashow-Weinberg-Salam -vuorovaikutukset olivat matemaattisesti johdonmukaisia, sähköheikon vuorovaikutuksen teoriasta tuli malli uusille voimien yhdistämisyrityksille. Vuonna 1974 Sheldon Glashow ja Howard Georgi ehdottivat vahvojen ja sähköheikkojen voimien yhdistämistä Georgie-Glashow-malliin, ensimmäiseen Grand Unification -teoriaan , jolla olisi havaittavia vaikutuksia energioissa, jotka ylittävät 100 GeV.
Siitä lähtien Grand Unified Theory -teoriaa varten on tehty useita ehdotuksia, kuten Pati-Salam-mallia, vaikka yksikään niistä ei ole tällä hetkellä yleisesti hyväksytty. Suurin ongelma tällaisten teorioiden kokeellisessa testauksessa on energiamittakaava, joka on paljon nykyaikaisten kiihdytinten ulottumattomissa . Grand Unified Theories ennustaa vahvojen, heikkojen ja sähkömagneettisten voimien suhteellisia vahvuuksia, ja vuonna 1991 LEP päätti, että supersymmetrisillä teorioilla oli oikea voimasuhde Georgie-Glashow Grand Unified Theorylle.
Monet suuret yhdistetyt teoriat (mutta ei Pati Salam) ennustavat, että protoni voi hajota , ja jos tämä löydettäisiin, hajoamistuotteiden yksityiskohdat voisivat antaa vihjeitä Grand Unified Theory -teorian muihin näkökohtiin. Tällä hetkellä ei tiedetä, voiko protoni hajota, vaikka kokeet ovat asettaneet sen eliniän alarajaksi 1035 vuotta.
Teoreettiset fyysikot eivät ole vielä muotoilleet laajalti hyväksyttyä ja johdonmukaista teoriaa, joka yhdistää yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan muodostamaan teorian kaikesta . Yritys yhdistää gravitoni vahvoilla ja sähköheikoilla vuorovaikutuksilla johtaa perustavanlaatuisiin vaikeuksiin, eikä tuloksena olevaa teoriaa voida normalisoida . Näiden kahden teorian yhteensopimattomuus on edelleen yksi fysiikan ratkaisemattomista ongelmista.