Реферат: Єдина теорія полів і взаємодій

--PAGE_BREAK--
де cij = cosиij, sij = sinиij – елементи матриці – комбінації синусів і косинусів кутів повороту. Наприклад, перший елемент це — добуток <img width=«90» height=«24» src=«ref-1_1579604362-1086.coolpic» alt=«mhtml:file://C:\Documents%20and%20Settings\Sasha\Рабочий%20стол\Объединение%20взаимодействий.mht!../introduction/images/xx108.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_34»>. Сучасні оцінки кутів: і12 ~ 130, і23 ~ 20, і13 ~ 0.10. Тому що <img width=«45» height=«24» src=«ref-1_1579605448-1010.coolpic» alt=«mhtml:file://C:\Documents%20and%20Settings\Sasha\Рабочий%20стол\Объединение%20взаимодействий.mht!../introduction/images/xx112.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_35»>відрізняється від одиниці тільки в шостому знаку після коми, результати, отримані в чотирьох кваркової схемі, зберігаються.

Для певних у такий спосіб d', s', b'-кварків константа слабкої взаємодії має однакове значення для лептонних і кваркових сімейств.

Змішування поколінь кварків стимулювало інтерес до проблеми осциляцій і змішування нейтрино. Чи існує змішування поколінь лептонів?

Дотепер говорилося про об'єднання електромагнітних і слабких взаємодій. Почавши із чотирьох взаємодій і створивши теорію електрослабких взаємодій, фізики звели їхнє число до трьох. Чи не можна зробити наступний крок, об'єднавши електрослабку взаємодія із сильним?

Моделі, у яких розглядається об'єднання електрослабкого й сильного взаємодій, називаються Великим об'єднанням. В основі Великого об'єднання лежить гіпотеза, що сильні й електрослабкі взаємодії є низко енергетичними компонентами того самого каліброваної взаємодії, описуваного єдиною константою.

У моделі Великого Об'єднання (Grand Unification) показано, що всі три константи будуть мати однакові значення при E = 1015 Гев. Константа Великого Об'єднання EGU = 1/40. При цій енергії виникає єдина взаємодія. Об'єднання електромагнітної й слабкої взаємодій відбувається при набагато менших енергіях E ~ 100. При енергії Великого Об'єднання повинна спостерігатися симетрія між кварками й лептонами. Кванти поля, що переносять взаємодію між кварками й лептонами, називаються X і Y-Бозонами. X і Y-Бозони мають спин J = 1 і дробовий електричний заряд Q(X) = +4/3 Q(Y) = +1/3.

На мал. 6 наведені приклади діаграм за участю X і Y-Бозонів.
<img width=«190» height=«79» src=«ref-1_1579606458-550.coolpic» alt=«mhtml:file://C:\Documents%20and%20Settings\Sasha\Рабочий%20стол\Объединение%20взаимодействий.mht!images/s040_5a.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_36»><img width=«190» height=«79» src=«ref-1_1579607008-554.coolpic» alt=«mhtml:file://C:\Documents%20and%20Settings\Sasha\Рабочий%20стол\Объединение%20взаимодействий.mht!images/s040_5b.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_37»>

Рис. 6. Діаграми за участю X і Y-Бозонів
Під дією X і Y — бозонів кварки перетворюються в лептони. Діаграми наведені на мал. 6 показують, що модель Великого Об'єднання може бути експериментально перевірена при енергіях набагато нижче 1015 Гев. Зокрема діаграми на мал. 5 повинні приводити до розпаду протона й нейтрона
p → e+ + р0, n → <img width=«11» height=«14» src=«ref-1_1579607562-173.coolpic» alt=«aneutrino.gif (63 bytes)» v:shapes=«Рисунок_x0020_38»>e + р0
Т.е. спостерігається одночасне порушення закону збереження баріонного й лептонного чисел. Численні спроби виявити розпад протона поки не дали позитивних результату. Час життя протона за сучасними оцінками tp > 1032 років.

Переносником гравітаційної взаємодії у квантовій теорії гравітації вважається — гравітон — без масова частка зі спином 2. Гравітаційна взаємодія універсально. У ньому беруть участь всі частки.

Уживають спроби об'єднаного опису всіх чотирьох фундаментальних взаємодій, засновані на концепції суперсиметрії. Подібні схеми називаються розширеною супергравітацією.

Константа Великого Об'єднання рівняється з константою гравітаційної взаємодії при E = 1019 Гев. Енергія, при якій відбувається об'єднання всіх взаємодій називається планковською енергією. Її величина виходить комбінацією трьох світових констант
EPl = (<img width=«10» height=«15» src=«ref-1_1579607735-176.coolpic» alt=«splank.gif (65 bytes)» v:shapes=«Рисунок_x0020_39»> з5/G)1/2<img width=«16» height=«11» src=«ref-1_1579607911-175.coolpic» alt="~=" v:shapes=«Рисунок_x0020_40»>1019 Гев
де <img width=«10» height=«15» src=«ref-1_1579607735-176.coolpic» alt=«splank.gif (65 bytes)» v:shapes=«Рисунок_x0020_41»>- наведена постійна Планка, з — швидкість світла, G — гравітаційна постійна.

Планковська енергія відповідає Планковській довжині
lPl = (G<img width=«10» height=«15» src=«ref-1_1579607735-176.coolpic» alt=«splank.gif (65 bytes)» v:shapes=«Рисунок_x0020_42»> /з3)1/2 = 1.6161·10-<metricconverter productid=«33 см» w:st=«on»>33см.
Величина
mPl = (<img width=«10» height=«15» src=«ref-1_1579607735-176.coolpic» alt=«h/» v:shapes=«Рисунок_x0020_43»> з/G)1/2<img width=«16» height=«11» src=«ref-1_1579607911-175.coolpic» alt=«mhtml:file://C:\Documents%20and%20Settings\Sasha\Рабочий%20стол\Объединение%20взаимодействий.mht!../simages/neaeq.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_44»>2.17665·10-<metricconverter productid=«5 г» w:st=«on»>5г
зветься маси Планка.
tPl = (G<img width=«10» height=«15» src=«ref-1_1579607735-176.coolpic» alt=«splank.gif (65 bytes)» v:shapes=«Рисунок_x0020_45»> /з5)1/2 = 5.29072·10-44 с.
Умови для об'єднання взаємодій могли існувати на самому початку утворення Вселеної, відразу після Великого вибуху. Реліктами епохи Великого вибуху є мікрохвильове випромінювання, що відповідає температурі 2.7 K, і, можливо, монополі Дирака — гіпотетичні магнітні заряди.

При об'єднанні всіх взаємодій, що, як передбачається відбувається при 1019 ГеВ, бозони й фермиони поєднуються в один мультиплет. У теорії передбачається, що до спостережуваних часток додаються суперпартнери, спини яких відрізняються на +1/2 або -1/2. Наприклад, до електрона додається суперпартнер зі спином 0.

У цих теоріях фермиони мають суперпартнерів, які повинні бути бозонами, а бозони — суперпартнерів, які повинні бути фермионами. У суперсиметричних теоріях є існування операторів<img width=«15» height=«19» src=«ref-1_1579608965-187.coolpic» alt=«op_Q» v:shapes=«Рисунок_x0020_47»>, які переводять бозони |b> у фермиони |f>
<img width=«15» height=«19» src=«ref-1_1579608965-187.coolpic» alt=«op_Q» v:shapes=«Рисунок_x0020_48»>|b> = |f>
Сполучені оператори перетворюють фермиони в бозони. Оператор <img width=«15» height=«19» src=«ref-1_1579608965-187.coolpic» alt=«op_Q» v:shapes=«Рисунок_x0020_49»> залишає незмінними всі квантові числа частки, за винятком спина. На пошук суперсиметричних партнерів спрямований цілий ряд експериментів на діючих і споруджуваних колайдерах.

*Зі співвідношення невизначеності треба, що якщо невизначеність в енергії більше подвоєної маси електрона, то може виникнути віртуальна електрон-позитронна пара, що буде існувати протягом часу <img width=«13» height=«13» src=«ref-1_1579609526-178.coolpic» alt=«delta» v:shapes=«Рисунок_x0020_53»>t = <img width=«10» height=«15» src=«ref-1_1579607735-176.coolpic» alt=«splank.gif (73 bytes)» v:shapes=«Рисунок_x0020_54»>/2mec2. Віртуальні електрон-позитронні пари відіграють істотну роль у структурі електрона. Електрон оточений хмарою віртуальних електрон-позитронних пар, причому позитивні заряди розташовуються ближче до електрона (поляризація вакууму). Такий «голий» електрон, оточений хмарою вакуумної поляризації називають фізичним електроном. На більших відстанях ефекти поляризації вакууму не помітні. Характерні розміри, у яких проявляються ефекти поляризації вакууму порядку комптоновської довжини хвилі електрона ~10-11 див. Закон Кулона перестає виконуватися, якщо електрони зближаються на відстань менше 10-11 див. Сили взаємодії між електронами виявляються трохи більше, ніж треба із закону Кулона. Експериментальні докази ефекту поляризації вакууму були отримані в результаті порівняння прецизійних вимірів енергій рівнів атома водню (Лемб)і магнітного моменту електрона (Каш) з розрахунками в рамках квантової електродинаміки (КЕД), які враховують віртуальні процеси.

**На малих відстанях кварки поводяться як квазисвободні частки. Зі збільшенням відстані між кварками сила взаємодії між ними росте й одиночний кварк не може вилетіти з адрону (асимтотическая воля). Асимптотична воля проявляється на відстанях <10-13 див.

Залежність сили взаємодії кварків від відстані між ними дозволяє відповістити на запитання про ядерні сили, тобто силах, які зв'язують нуклони в атомному ядрі. Є деяка аналогія з атомом. Атом нейтральний. Коли атоми перебувають на більших відстанях (>10-8 див) друг від друга, вони не взаємодіють. Але коли вони зближаються на відстані порівнянні з їхніми розмірами, між їхніми електронними оболонками виникають сили відштовхування. Це причина того, чому звичайна речовина досить важко стиснути. Кінцівка розмірів атомів і розподіл у них електричного заряду приводить до сил Ван-Дер-Ваальса.

Адрони є колірними синглетами. Сильна взаємодія відбувається тільки між кварками й глюонами. Тому, коли два адрони зближаються на відстань порівнянне з їхніми розмірами (~10-13 див), між ними починають діяти сили аналогічні силам Ван-Дер-Ваальса. Зі збільшенням відстані взаємодія між нуклонами швидко зменшується. Т. е. ядерні сили не є елементарними, а настільки ж вторинні стосовно сильної взаємодії, як і сили Ван-Дер_Ваальса стосовно електромагнітної взаємодії.

Експериментально давно була встановлена подоба електромагнітної й слабкої взаємодій у тому розумінні, що обоє вони можуть бути зрозумілі в рамках теорії з векторними частками як кванти поля — фотоном і слабкими проміжними бозонами. Відповідно, і струми часток мають векторний характер для електромагнітного й векторний і аксиально-векторний — для слабкого взаємодій (у слабких взаємодіях порушується парність). Електромагнітний струм для електронів:

<img width=«125» height=«24» src=«ref-1_1579609880-364.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_01.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6520»>
Кваркові електромагнітні струми мають, зрозуміло, аналогічний вид:
<img width=«550» height=«41» src=«ref-1_1579610244-1187.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_02.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6521»>
Розходження зв'язане тільки з розходженнями в електричних зарядах. У той же час слабкі струми, пов'язані з розпадами часток, заряджені. Так, розпад мюона, містить добуток двох заряджених струмів:
<img width=«293» height=«39» src=«ref-1_1579611431-668.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_03.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6522»>

<img width=«278» height=«36» src=«ref-1_1579612099-668.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_22.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6523»>.
Значок L означає, що з 4-спінори виділений стан за допомогою матриці (1 – г5).
<img width=«139» height=«45» src=«ref-1_1579612767-446.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_05.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6524»>
де GF<img width=«16» height=«11» src=«ref-1_1579607911-175.coolpic» alt=«neaeq.gif (64 bytes)» v:shapes=«Рисунок_x0020_6525»> 10-5Mp2 — знаменита константа Ферми. У теорії з обміном слабким проміжним бозоном первинним є лагранжиан взаємодії виду



<img width=«250» height=«45» src=«ref-1_1579613388-649.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_23.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6526»>





який, до речі сказати, описує розпад W-Бозона по 3 лептонним каналам (сюди ще доданий заряджений струм тау-лептона і його нейтрино), причому
<img width=«112» height=«28» src=«ref-1_1579614037-376.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_24.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6527»>

(h.c. — оператор ермитового сполучення, визначається як a+ = a*T, де * — комплексне сполучення, T — транспонування. Згрупуємо тепер лептони по левоспиральним слабким ізодублетам оскільки саме в таких комбінаціях вони беруть участь у слабких взаємодіях.
<img width=«141» height=«54» src=«ref-1_1579614413-638.coolpic» alt=«i1_01.gif (527 bytes)» v:shapes=«Рисунок_x0020_6528»>
Правоспіральні лептони в рамках моделі Вайнберга-Салама в заряджених слабких переходах не беруть участь і по визначенню є слабкими ізосинглетами. Порівнюючи тепер слабкі левоспіральні заряджені струми із сильними струмами в співвідношенні бачимо, що розумно ввести поняття слабкого ізоспина, при цьому з'явиться й нейтральний струм виду пов'язаний з нейтральним бозоном W3.
<img width=«246» height=«41» src=«ref-1_1579615051-639.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_06.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6529»>
де (м) і (ф) — нейтральні струми дублетів ( м-м-, нм) і ( ф-ф-, нф) виходять очевидним перетворенням з першого члена (нейтрального струму дублета (нe,e-)). Оскільки нейтральний слабкий струм — лінійна комбінація векторного й аксиально-векторного струмів, виникає спокуса включити в таку теоретичну модель і електромагнітну взаємодію. Але ми не можемо прямо додати до нейтрального слабкого струму електромагнітний струм, оскільки він не володіє слабким ізоспином. Зате можна додати ще один струм, взаємодіючий зі слабким векторним нейтральним бозоном Yм, приписавши останньому властивості слабкого ізосинглета. Лагранжиан, що описує взаємодія нейтральних слабких струмів з бозонами W3м,Y, запишеться у вигляді (обмежимося сектором лептонів <img width=«7» height=«7» src=«ref-1_1579615690-164.coolpic» alt=«neutr» v:shapes=«Рисунок_x0020_6530»>e, e-)


<img width=«560» height=«66» src=«ref-1_1579615854-1614.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_09.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6531»>
Від двох бозоних полів W3м треба перейти до двох іншим бозоним полям <img width=«22» height=«25» src=«ref-1_1579617468-199.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i3_17.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6532»>,<img width=«21» height=«26» src=«ref-1_1579617667-206.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_10.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6533»>, причому у зв'язку лептонів з полем уже закладений правильний електромагнітний струм. За змістом перетворення повинне бути ортогональним, і давайте виберемо його у вигляді
<img width=«149» height=«56» src=«ref-1_1579617873-581.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_11.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6534»> <img width=«152» height=«56» src=«ref-1_1579618454-566.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_12.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6535»>
Підставляючи ці вираження у формулу для струмів, одержимо в лівій частині рівності для електромагнітного струму вираження
<img width=«508» height=«53» src=«ref-1_1579619020-1382.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_13.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6536»>
звідки a = -1/2, b = -1/2, c = 1,
<img width=«98» height=«52» src=«ref-1_1579620402-431.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_14.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6537»>
Тоді для нейтрального струму одержуємо
<img width=«466» height=«53» src=«ref-1_1579620833-1195.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_15.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6538»>
Уведемо позначення


<img width=«135» height=«52» src=«ref-1_1579622028-473.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_16.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6539»> <img width=«115» height=«52» src=«ref-1_1579622501-458.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_17.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6540»>
Тепер нейтральні векторні поля зв'язані між собою формулами



<img width=«186» height=«26» src=«ref-1_1579622959-467.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_18.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6541»><img width=«182» height=«26» src=«ref-1_1579623426-449.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_19.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6542»>





При цьому e = gWsinи. Остаточно слабкий нейтральний струм у секторі лептонів запишеться у вигляді
<img width=«316» height=«46» src=«ref-1_1579623875-887.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_20.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6543»>
Вимірюючи на досвіді співвідношення між внесками векторних і аксіально-векторних струмів у процесах, що йдуть через нейтральні слабкі струми, наприклад, у процесі пружного нейтрино на електронах нм + е-е- → нм + е-е-,
<img width=«176» height=«106» src=«ref-1_1579624762-564.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/f12.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6544»>
або в процесі глубоко-неупругого розсіювання нейтрино на нуклоні нм + N → нм + X де X — адрони в кінцевому стані,
<img width=«176» height=«106» src=«ref-1_1579625326-587.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/f13.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6545»>




можна визначити експериментальне значення кута Вайнберга: sin2<img width=«7» height=«13» src=«ref-1_1579625913-169.coolpic» alt=«theta» v:shapes=«Рисунок_x0020_6546»>W<img width=«16» height=«11» src=«ref-1_1579607911-175.coolpic» alt=«neaeq» v:shapes=«Рисунок_x0020_6547»> 0.230+0.003. Електромагнітний струм у секторі лептонів <img width=«7» height=«7» src=«ref-1_1579615690-164.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/simages/nu.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6548»>ee- має правильний вигляд
<img width=«110» height=«25» src=«ref-1_1579626421-325.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/images/i7_21.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6549»>
Отже, слабка й електромагнітна взаємодії об'єднані в єдине електрослабку взаємодію в досить простої моделі для лептонів <img width=«7» height=«7» src=«ref-1_1579615690-164.coolpic» alt=«nuclphys.sinp.msu.ru/simages/nu.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_6550»>ee-. Вона негайно узагальнюється на весь лептонний і кварковий сектори. Перейти від феноменологичної моделі до теорії електрослабких взаємодій виявляється можливим у рамках теорії каліброваних полів.

У фізиці елементарних часток електрослабка взаємодія є загальним описом двох із чотирьох фундаментальних взаємодій: слабкої взаємодії й електромагнітної взаємодії. Хоча ці дві взаємодії дуже різняться на звичайних низьких енергіях, у теорії вони представляються як два різних прояви однієї взаємодії. При енергіях, вище енергії об'єднання (порядку 102 ГеВ), вони з'єднуються в єдину електрослабку взаємодію.

Теорія електрослабої взаємодії являє собою створену наприкінці 60-х років 20-го століття С. Вайнбергом, Ш. Глешоу, А. Саламом єдину (об'єднану) теорію слабкої й електромагнітної взаємодій кварків і лептонів, здійснюваних за допомогою обміну чотирма частками — безмасовими фотонами (електромагнітна взаємодія) і важкими проміжними векторними бозонами (слабка взаємодія).

Математично об'єднання здійснюється за допомогою каліброваної групи SU(2) Ч U(1). Відповідні калібровані бозони — фотон (електромагнітна взаємодія) і W і Z бозони (слабка взаємодія). У Стандартній моделі калібровані бозони слабкої взаємодії одержують масу через спонтанне порушення електрослабкої симетрії від SU(2) Ч U(1)Y до U(1)em, викликаного механізмом Хиггса. Нижні індекси використовуються, щоб показати, що існують різні варіанти U(1); генератор U(1)em дається вираженням Q = Y/2 + I3, де Y — генератор U(1)Y (названий гіперзаряд), а I3 — один з генераторів SU(2) (компонент ізоспина). Розходження між електромагнетизмом і слабкою взаємодією з'являється внаслідок (нетривіальної) лінійної комбінації Y і I3, що зникає для бозона Хиггса (цей власний стан як Y, так і I3, так що можна взяти коефіцієнти −I3 і Y): U(1)em визначається як група, генерируєма саме цією лінійною комбінацією й не піддається спонтанному порушенню симетрії, оскільки не взаємодіє з бозоном Хиггса.

За внесок в об'єднання слабкої й електромагнітної взаємодій елементарних часток Шелдону Глешоу, Стивену Вайнбергу й Абдусу Саламу була присуджена Нобелівська премія по фізиці в 1979. Існування електрослабких взаємодій було експериментально встановлене у дві стадії: спочатку були відкриті нейтральні струми в спільному експерименті Гаргамелла по розсіюванню нейтрино в 1973 р., а потім спільні експерименти UA1 і UA2 в 1983 р. довели існування W і Z каліброваних бозонів за допомогою протон-антипротонних зіткнень на прискорювачі SPS (Super Proton Synchrotron, протонний суперсинхротрон).
3. «ТЕОРІЯ ВСЬОГО»
Теорія всього(англ. Theory of everything, TOE) — гіпотетична об'єднана фізико-математична теорія, що описує всієї відомої фундаментальної взаємодії. Спочатку даний термін використовувався в іронічному ключі для позначення різноманітних узагальнених теорій. Згодом термін закріпився в квантової фізики для позначення теорії, яка б об'єднала всі чотири фундаментальні взаємодії в природі. У науковій літературі замість терміна «теорія всього» використовується термін «єдина теорія поля», проте варто мати на увазі, що теорія всього може бути побудована й без використання полів, незважаючи на те, що науковий статус таких теорій може бути спірним.

Протягом двадцятого століття була запропонована безліч «теорій усього», але жодна з них не змогла пройти експериментальну перевірку, або існують значні утруднення в організації експериментальної перевірки для деяких з кандидатів. Основна проблема побудови наукової «теорії всього» полягає в тому, що квантова механіка й загальна теорія відносності (ВІД) мають різні області застосування. Квантова механіка в основному використовується для опису мікросвіту, а загальна теорія відносності застосовна до макросвіту. СТВ (Спеціальна теорія відносності) описує явища при більших швидкостях, а ВІД є узагальненням ньютоновської теорії гравітації, що поєднує її зі СТО й поширює на випадок більших відстаней і більших мас. Безпосереднє сполучення квантової механіки й спеціальної теорії відносності в єдиному формалізмі (квантової релятивістської теорії поля) приводить до проблеми — відсутності кінцевих результатів для величин, що перевіряються експериментально. Для рішення цієї проблеми використовується ідея перенормировки величин. Для деяких моделей механізм перенормировок дозволяє побудувати дуже добре працюючі теорії, але додавання гравітації (тобто включення в теорію ВІД як граничного випадку для малих полів і більших відстаней) приводить до розходження, які забрати поки не вдається. Хоча із цього зовсім не треба, що така теорія не може бути побудована.

Після побудови наприкінці XIX століття електродинаміки, що об'єднала на основі рівнянь Максвелла в єдиній теоретичній схемі явища електрики, магнетизму й оптики, у фізику виникла ідея пояснення на основі електромагнетизму всіх відомих фізичних явищ. Однак створення загальної теорії відносності привело фізиків до думки, що для опису на єдиній основі всіх явищ необхідне об'єднання теорій електромагнетизму й гравітації.

Перші варіанти єдиних теорій поля були створені Давидом Гильбертом і Германом Вейлем. Надалі велику увагу «теорії всього» приділив Альберт Ейнштейн. Він присвятив спробам її створення більшу частину свого життя. Гильберт, Вейль і, надалі, Ейнштейн думали, що досить об'єднати загальну теорію відносності й електромагнетизм, до того ж спочатку не малося на увазі, що вони повинні бути квантовими, тому що сама квантова механіка ще не була досить розвитий. Значною мірою, якщо не повністю, мінімальна програма — об'єднання ВІД і електродинаміки була вирішена в рамках теорії Калуци — Клейна (можливо, і ще деяких теорій), але майже вже вчасно її створення стало актуальним включення в теорію інших полів і пророкування існування багатьох часток, що було не зовсім тривіальним, а надалі прояснилися й нові труднощі, а квантовий варіант теорії Калуци-Клейна хоч і був мислимий, однак квантування натрапляло на труднощі конкретної розробки, як і квантування самої загальної теорії відносності окремо.

Сучасна фізика жадає від «теорії всього» об'єднання чотирьох відомих у цей час фундаментальних взаємодій:

гравітаційна взаємодія,

електромагнітна взаємодія,

сильна ядерна взаємодія,

слабка ядерна взаємодія.

Крім того, вона повинна пояснювати існування всіх елементарних часток. Першим кроком на шляху до цього стало об'єднання електромагнітної й слабкої взаємодій у теорії електрослабкої взаємодії, створеної в 1967 році Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глешоу й Абдусом Саламом. В 1973 році була запропонована теорія сильної взаємодії. Після чого з'явилося кілька варіантів теорій Великого об'єднання (найбільш відома з них — теорія Пати — Салама, 1974 рік), у рамках яких удалося об'єднати всі типи взаємодій, крім гравітаційного. Правда, жодна з теорій Великого об'єднання поки не знайшла підтвердження, а деякі вже спростовані експериментально на основі даних по відсутності розпаду протона. Відсутньою ланкою в «теорії всього» залишається підтвердження якої-небудь із теорій Великого об'єднання й побудова квантової теорії гравітації на основі квантової механіки й загальної теорії відносності.

У цей час основними кандидатами в якості «теорії всього» є теорія струн, петельна теорія й теорія Калуци — Клейна. Про останню докладніше. На початку двадцятого століття з'явилися припущення, що Всесвіт має більше вимірів, чим спостережувані три просторових і одне тимчасово. Поштовхом до цього стала теорія Калуци — Клейна, що дозволяє побачити, що введення в загальну теорію відносності додаткового виміру приводить до одержання рівнянь Максвелла. Завдяки ідеям Калуци й Клейна стало можливим створення теорій. Використання додаткових вимірів підказало відповідь на питання про те, чому дія гравітації проявляється значно слабкіше, ніж інші види взаємодій. Загальноприйнята відповідь полягає в тому, що гравітація існує в додаткових вимірах, тому її вплив на спостережувані виміри слабшає.

Наприкінці 2007 року Гаррет Лиси запропонував «Винятково просту теорію всього», засновану на властивостях алгебр Чи. Незважаючи на виявлені недоліки теорії Лиси вона може відкрити новий напрямок робіт в області єдиних теорій поля.

Наприкінці 1990-х стало ясно, що загальною проблемою пропонованих варіантів «теорії всього» є те, що вони не строго визначають характеристики спостережуваного Всесвіту. Так, багато теорій квантової гравітації припускають існування всесвітів з довільним числом вимірів або довільним значенням космологічної постійної. Деякі фізики дотримуються думки, що насправді існує безліч вселених, але лише невелика їхня кількість населені, а виходить, фундаментальні константи всесвіту визначаються антропним принципом. Макс Тегмарк (англ.) довів цей принцип до логічного завершення, постулирующего, що «всі математично несуперечливі структури існують фізично». Це означає, що досить складні математичні структури можуть містити « структуру, щосамоусвідомлює,», що буде суб'єктивно сприймати себе «живучої в реальному світі».

В 2007 році американський учений Ентони Гаррет Лиси запропонував свій варіант Єдиної теорії. Теорія була опублікована в 31-сторінковому препринті. Як пише газета The Telegraph, вона викликала фурор у науковому світі. Дана теорія пояснює взаємозв'язок чотирьох фундаментальних сил у Всесвіті — сильної взаємодії, слабкої взаємодії, електромагнітної сили й сили притягання. Вона також поєднує дві глобальні теорії — квантову механіку й загальну теорію відносності. Рішення, знайдене Лиси, одні вчені називають «винятково простим» і «гарним», а інші впевнені, що теоретик помилився. Якщо ж він не помилився, то вченому вдалося виконати науковий заповіт Ейнштейна, уважають його колеги. Найважливіше — теорія пророкує існування ще 20-ти елементарних часток, поки невідомих науці.

Велике об'єднання – об'єднання при надвисоких енергіях трьох фундаментальних взаємодій – сильного, електромагнітного й слабкого. Передумовою до об'єднання трьох згаданих взаємодій є те, що сили (інтенсивності) цих взаємодій, що кардинально різняться при звичайних (низьких) енергіях, з ростом енергії й, відповідно, зменшенням відстані між частками, зближаються й по оцінках сходяться при енергії 1015–1016 ГеВ (<img width=«16» height=«11» src=«ref-1_1579607911-175.coolpic» alt=«neaeqv» v:shapes=«Рисунок_x0020_68»>    продолжение
--PAGE_BREAK--
еще рефераты
Еще работы по физике