Teoria câmpului unificat , UFT ( eng. teoria câmpului unificat , UFT ) [a] este un tip de teorie a câmpului care vă permite să scrieți tot ceea ce este de obicei considerat forțe fundamentale și particule elementare în ceea ce privește câmpurile fizice și virtuale. Conform conceptelor moderne, forțele nu sunt transferate direct între obiectele care interacționează, ci prin obiecte intermediare numite câmpuri .
UTP vizează o descriere unificată a tuturor fenomenelor fizice cunoscute pe baza unui singur câmp primar . Din punct de vedere istoric, au existat atât ETP-uri clasice, cât și cuantice, unul dintre exemplele moderne ale acestora din urmă este teoria corzilor [1] .
Din punctul de vedere al teoriei clasice, dualitatea câmpurilor este combinată într-un singur câmp fizic [2] . Teoria câmpului unificat a fost un domeniu de actualitate al cercetării de mai bine de un secol. Termenul a fost introdus de Albert Einstein [3] , care a încercat să combine teoria generală a relativității pe care a formulat-o cu electromagnetismul [4] . Einstein a restaurat idealul clasic al lumii al lui Spinoza , deoarece acesta a stat la baza viziunii sale asupra lumii, în teoria relativității și a extins principiul relativității găsit în secolul al XVII-lea la noi fenomene descoperite în secolul al XIX-lea. Einstein a exclus mișcările absolut accelerate din imaginea lumii, dar nu a reușit să meargă mai departe [5] .
Marile teorii unificate [6] sunt strâns legate de teoria câmpului unificat, dar diferă prin faptul că nu necesită ca natura să se bazeze pe câmpuri și adesea încearcă să explice constantele fizice ale naturii. Încercările anterioare bazate pe fizica clasică sunt descrise în articolul despre teoriile clasice de câmp unificate . Conceptul de teorie unificată a câmpului a condus la progrese semnificative în fizica teoretică .
Toate cele patru forțe fundamentale cunoscute sunt transmise de câmpuri care, în modelul standard al fizicii particulelor, apar ca urmare a schimbului de bosoni gauge . În special, patru interacțiuni fundamentale sunt supuse unificării:
Teoria modernă a câmpului unificat încearcă să combine aceste patru forțe și materia într-o singură structură.
Prima teorie clasică unificată a câmpului de succes a fost dezvoltată de James Clerk Maxwell . În 1820 , Hans Christian Oersted a descoperit că curenții electrici acționează asupra magneților , iar în 1831 Michael Faraday a observat că câmpurile magnetice care variază în timp pot induce curenți electrici. Înainte de aceasta, electricitatea și magnetismul erau considerate fenomene care nu erau legate între ele. În 1864, Maxwell a publicat faimoasa sa lucrare despre teoria dinamică a câmpului electromagnetic. A fost primul exemplu de teorie care a fost capabilă să îmbrățișeze diferite teorii de câmp, și anume electricitatea și magnetismul, și să le combine într-o teorie generală a electromagnetismului. Până în 1905, Albert Einstein a folosit constanta vitezei luminii în teoria lui Maxwell pentru a unifica conceptul de spațiu și timp într-o singură entitate pe care acum o numim spațiu-timp, iar în 1915 a extins această teorie a relativității speciale pentru a descrie gravitația, teoria generală. de relativitate.. ,
În anii care au trecut de la crearea teoriei generale, un număr mare de fizicieni și matematicieni au participat cu entuziasm la încercarea de a unifica interacțiunile fundamentale cunoscute la acea vreme. De un interes deosebit sunt lucrările lui Hermann Weyl în 1919, care a introdus conceptul de câmp gauge în teoria clasică a câmpului [7] ; teoria lui Theodor Kaluza care a extins teoria generală a relativității la cinci dimensiuni [8] . În teoria Kaluza-Klein, curbura gravitațională a dimensiunii extraspațiale se comportă ca o forță suplimentară, similară cu electromagnetismul. Acestea și alte modele de electromagnetism și gravitație au fost folosite de Albert Einstein în încercările sale de a crea o teorie clasică a câmpului unificat. Până în 1930, Einstein luase în considerare deja sistemul Einstein-Maxwell-Dirac. Acest sistem este limita electrodinamicii cuantice (definită matematic inexact) . Când interacțiunile nucleare slabe și puternice sunt incluse în acest sistem, se obține sistemul Einstein -Yang-Mills- Dirac. Fizicianul francez Marie Antoinette Tonnelat a publicat o lucrare la începutul anilor 1940 despre relațiile standard de comutație pentru un câmp cuantizat cu spin-2. Ea a continuat această lucrare în colaborare cu Erwin Schrödinger după al Doilea Război Mondial . În anii 1960, Mendel Sachs a propus o teorie generală a câmpului covariant care nu necesita recurgerea la renormalizări sau la teoria perturbațiilor .
În 1968, Wolfgang Pauli a ținut o prelegere la Universitatea Columbia în care a subliniat teoria câmpului unificat Heisenberg-Pauli . Niels Bohr a fost în public . După prelegere, s-a ridicat și a spus: „Noi cei din galerie suntem convinși că teoria ta este nebună. Cu toate acestea, nu am fost de acord dacă era suficient de nebună.” Această remarcă a stârnit o discuție aprinsă în care Pauli a susținut că teoria lui este suficient de nebună pentru a fi adevărată, în timp ce alții au spus că nu are nebunie. S-a arătat în continuare că Bohr avea dreptate: teoria prezentată de Pauli era greșită [9] .
În 1963, fizicianul american Sheldon Glashow a sugerat că forța nucleară slabă , electricitatea și magnetismul ar putea apărea dintr-o teorie electroslabă parțial unificată . În 1967, pakistanezul Abdus Salam și americanul Steven Weinberg au revizuit în mod independent teoria lui Glashow, stabilind că masele particulelor W și ale particulei Z apar din cauza ruperii spontane a simetriei cu mecanismul Higgs . Această teorie unificată a modelat forța electroslabă ca o forță mediată de patru particule: un foton pentru aspectul electromagnetic, o particulă neutră Z și două particule încărcate W pentru aspectul slab. Ca urmare a ruperii spontane a simetriei, interacțiunea slabă devine cu rază scurtă, iar bosonii W și Z dobândesc mase de 80,4 și , respectiv, 91,2 GeV/c 2 . Teoria lor a fost confirmată experimental pentru prima dată de descoperirea curenților neutri slabi în 1973. În 1983, bosonii Z și W au fost obținuți pentru prima dată la CERN de către echipa lui Carlo Rubbia . Glashow, Salam și Weinberg au primit în 1979 Premiul Nobel pentru Fizică pentru descoperirile lor. Carlo Rubbia și Simon van der Meer au primit acest premiu în 1984.
După ce Gerardus 't Hooft a arătat că interacțiunile electroslabe Glashow-Weinberg-Salam erau consistente din punct de vedere matematic, teoria interacțiunii electroslabe a devenit modelul pentru încercări ulterioare de unificare a forțelor. În 1974, Sheldon Glashow și Howard Georgi au propus să unifice forțele puternice și electroslabe în modelul Georgie-Glashow, prima teorie a Marii Unificări care ar avea efecte observabile la energii cu mult peste 100 GeV.
De atunci, au existat mai multe propuneri pentru Marea Teorie Unificată, precum modelul Pati-Salam, deși niciuna dintre ele nu este în prezent general acceptată. Principala problemă în testarea experimentală a unor astfel de teorii este scara de energie, care este mult dincolo de atingerea acceleratoarelor moderne . Marile teorii unificate prezic puterile relative ale forțelor puternice, slabe și electromagnetice, iar în 1991 LEP a determinat că teoriile supersimetrice au relația corectă de forță pentru Teoria Marelui Unificat Georgie-Glashow.
Multe teorii Grand Unified (dar nu Pati Salam) prezic că protonul se poate descompune , iar dacă acest lucru ar fi descoperit, detaliile produselor de dezintegrare ar putea da indicii asupra altor aspecte ale Marii Teorii Unificate. În prezent, nu se știe dacă protonul se poate descompune, deși experimentele au plasat o limită inferioară a duratei sale de viață de 1035 de ani.
Fizicienii teoreticieni nu au formulat încă o teorie larg acceptată și consistentă care să combine relativitatea generală și mecanica cuantică pentru a forma o teorie a tuturor . Încercarea de a unifica gravitonul cu interacțiuni puternice și electroslabe duce la dificultăți fundamentale, iar teoria rezultată nu poate fi renormalizată . Incompatibilitatea celor două teorii rămâne una dintre problemele nerezolvate ale fizicii.