Az egyesített mezőelmélet , UFT ( eng. unified field theory , UFT ) [a] a térelmélet egy olyan típusa , amely lehetővé teszi, hogy mindent leírjunk, amit általában alapvető erőknek és elemi részecskéknek tekintenek fizikai és virtuális mezők tekintetében. A modern elképzelések szerint az erők nem közvetlenül az egymással kölcsönhatásban lévő objektumok között, hanem köztes tárgyakon, úgynevezett mezőkön keresztül kerülnek átadásra .
Az UTP célja az összes ismert fizikai jelenség egységes leírása egyetlen elsődleges mező alapján . Történelmileg léteztek klasszikus és kvantum ETP-k is, utóbbira az egyik modern példa a húrelmélet [1] .
A klasszikus elmélet szempontjából a mezők kettőssége egyetlen fizikai mezővé egyesül [2] . Az egységes térelmélet több mint egy évszázada a kutatások aktuális területe. A kifejezést Albert Einstein vezette be [3] , aki megpróbálta ötvözni az általa megfogalmazott általános relativitáselméletet az elektromágnesességgel [4] . Einstein a relativitáselméletben visszaállította Spinoza klasszikus világeszményét , mivel ez volt világnézetének alapja, és kiterjesztette a 17. században fellelhető relativitáselvet a 19. században felfedezett új jelenségekre. Einstein kizárta a világképből az abszolút gyorsított mozgásokat, de nem sikerült továbbmennie [5] .
A nagy egyesített elméletek [6] szorosan kapcsolódnak az egyesített térelmélethez, de abban különböznek egymástól, hogy nem követelik meg, hogy a természet mezőkön alapuljon, és gyakran megpróbálják megmagyarázni a természet fizikai állandóit. A klasszikus fizikán alapuló korábbi próbálkozásokat a klasszikus egyesített térelméletekről szóló cikk ismerteti . Az egységes térelmélet koncepciója jelentős előrelépéshez vezetett az elméleti fizikában .
Mind a négy ismert alapvető erőt olyan mezők közvetítik, amelyek a részecskefizika standard modelljében a mérőbozonok cseréje eredményeként jönnek létre . Különösen négy alapvető kölcsönhatást kell egyesíteni:
A modern egyesített térelmélet megkísérli ezt a négy erőt és az anyagot egyetlen struktúrává egyesíteni.
Az első sikeres klasszikus egységes térelméletet James Clerk Maxwell dolgozta ki . 1820-ban Hans Christian Oersted felfedezte, hogy az elektromos áramok hatnak a mágnesekre , 1831-ben pedig Michael Faraday észrevette, hogy az időben változó mágneses mezők elektromos áramot indukálhatnak. Azelőtt az elektromosságot és a mágnesességet olyan jelenségeknek tekintették, amelyek nem kapcsolódnak egymáshoz. Maxwell 1864-ben publikálta híres munkáját az elektromágneses mező dinamikai elméletéről. Ez volt az első példa egy olyan elméletre, amely képes volt felölelni a különböző térelméleteket, nevezetesen az elektromosságot és a mágnesességet, és egyesíteni őket az elektromágnesesség általános elméletévé. 1905-re Albert Einstein a fénysebesség állandóságát Maxwell elméletében használta, hogy a tér és az idő fogalmát egyetlen entitásban egyesítse, amelyet ma téridőnek nevezünk, majd 1915-ben kiterjesztette ezt a speciális relativitáselméletet a gravitáció leírására, az általános elméletre . a relativitáselmélet.. ,
Az általános elmélet megalkotása óta eltelt években számos fizikus és matematikus vett részt lelkesen az akkor ismert alapvető kölcsönhatások egységesítésének kísérletében. Különösen érdekesek Hermann Weyl 1919-es munkái, aki bevezette a mérőmező fogalmát a klasszikus térelméletbe [7] ; Theodor Kaluza elmélete , aki kiterjesztette az általános relativitáselméletet öt dimenzióra [8] . A Kaluza-Klein elméletben az extra térbeli dimenzió gravitációs görbülete extra erőként viselkedik, hasonlóan az elektromágnesességhez. Ezeket és az elektromágnesesség és a gravitáció más modelljeit Albert Einstein használta a klasszikus egységes térelmélet létrehozására tett kísérletei során. 1930-ban Einstein már figyelembe vette az Einstein-Maxwell-Dirac rendszert. Ez a rendszer a (matematikailag pontatlanul meghatározott) kvantumelektrodinamika határa . Ha ebbe a rendszerbe beleszámítjuk a gyenge és erős nukleáris kölcsönhatásokat, akkor az Einstein -Yang-Mills- Dirac rendszert kapjuk. Marie Antoinette Tonnelat francia fizikus az 1940-es évek elején publikált egy tanulmányt egy spin-2 kvantált mező standard kommutációs relációiról. Ezt a munkát Erwin Schrödingerrel együttműködve a második világháború után is folytatta . Az 1960-as években Mendel Sachs egy általános kovariáns térelméletet javasolt, amely nem igényel renormalizációt vagy perturbációelméletet .
1968-ban Wolfgang Pauli előadást tartott a Columbia Egyetemen , amelyben felvázolta a Heisenberg-Pauli egyesített térelméletet . Niels Bohr is ott volt a nézőtéren . Az előadás után felállt, és így szólt: „Mi a galériában meg vagyunk győződve arról, hogy az Ön elmélete őrült. Abban azonban nem értünk egyet, hogy elég őrült-e." Ez a megjegyzés heves vitát váltott ki, amelyben Pauli azt állította, hogy elmélete elég őrült ahhoz, hogy igaz legyen, míg mások szerint hiányzik belőle az őrültség. Továbbá bebizonyosodott, hogy Bohrnak igaza volt: a Pauli által bemutatott elmélet téves [9] .
1963-ban Sheldon Glashow amerikai fizikus azt javasolta, hogy a gyenge nukleáris erő , az elektromosság és a mágnesesség egy részben egységesített elektrogyenge elméletből fakadhat . 1967-ben a pakisztáni Abdus Salam és az amerikai Steven Weinberg egymástól függetlenül felülvizsgálták Glashow elméletét, és megállapították, hogy a W-részecske és a Z-részecske tömege a Higgs-mechanizmussal való spontán szimmetria miatt keletkezik . Ez az egyesített elmélet az elektrogyenge erőt négy részecske által közvetített erőként modellezte: egy foton az elektromágneses aspektushoz, egy semleges részecske Z és két töltött részecske W a gyenge oldalhoz. A spontán szimmetriatörés következtében a gyenge kölcsönhatás rövid hatótávolságúvá válik, a W és Z bozonok 80,4, illetve 91,2 GeV/c 2 tömeget kapnak . Elméletüket először a gyenge semleges áramok felfedezése erősítette meg kísérletileg 1973-ban. 1983-ban Carlo Rubbia csapata szerezte meg először a Z és W bozonokat a CERN -ben . Glashow, Salam és Weinberg felfedezéseikért 1979 -ben fizikai Nobel-díjat kapott . Carlo Rubbia és Simon van der Meer kapta ezt a díjat 1984-ben.
Miután Gerardus 't Hooft kimutatta, hogy az elektrogyenge Glashow-Weinberg-Salam kölcsönhatások matematikailag konzisztensek, az elektrogyenge kölcsönhatás elmélete az erők egyesítésére irányuló további kísérletek mintája lett. 1974-ben Sheldon Glashow és Howard Georgi azt javasolta, hogy egyesítsék az erős és az elektromosan gyenge erőket a Georgie-Glashow modellben, az első Grand Unification elméletben , amelynek megfigyelhető hatásai lesznek jóval 100 GeV feletti energiákon.
Azóta több javaslat született a Grand Unified Theoryra, például a Pati-Salam modellre, bár jelenleg egyiket sem fogadják el általánosan. Az ilyen elméletek kísérleti tesztelésének fő problémája az energiaskála, amely messze meghaladja a modern gyorsítók hatókörét . A Grand Unified Theories megjósolja az erős, gyenge és elektromágneses erők relatív erősségét, és 1991-ben a LEP megállapította, hogy a szuperszimmetrikus elméletek a helyes erőviszonyt jelentik a Georgie-Glashow Grand Unified Theoryhoz.
Sok Grand Unified Teória (de Pati Salam nem) azt jósolja, hogy a proton lebomolhat , és ha ezt felfedezik, a bomlástermékek részletei utalhatnak a Grand Unified Theory más vonatkozásaira is. Jelenleg nem ismert, hogy a proton lebomolhat-e, bár a kísérletek alsó határt szabtak az élettartamára, 1035 évre.
Az elméleti fizikusok még nem fogalmaztak meg olyan széles körben elfogadott és következetes elméletet, amely az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát ötvözi, hogy mindenre elméletet alkosson . A graviton erős és elektrogyenge kölcsönhatásokkal való egyesítésére tett kísérlet alapvető nehézségekhez vezet, és az így létrejövő elmélet nem normalizálható . A két elmélet összeegyeztethetetlensége továbbra is a fizika egyik megoldatlan problémája.