Теорії великого об`єднання

Відео: Едвард Мусаєв - Теорія суперструн

Теорії великого об`єднання - загальна назва для спроб побудови єдиної теорії трьох з чотирьох фундаментальних взаємодій: слабкої, електромагнітного і сильного. Теоретичні побудови, які включають ще й четверту взаємодію - гравітаційне - називають іншими термінами: єдиної теорією поля або теорією всього.
Спроби побудови єдиної теорії аргументовані вірою в те, що природа за своєю суттю єдина, і чотири окремих першопричини для неї занадто багато. Якщо в звичних для людей умовах чотири типи фундаментальних взаємодій проявляються по різному, то, напевно, існують умови, при яких розрізнити взаємодії стає неможливо - всі вони є окремими випадками однієї, поки ще невідомої, гіпотетичної взаємодії.
Загальним недоліком всіх теорій великого об`єднання і теорії всього є те, що умови, при яких стирається різниця між відомими типами взаеомдій, вельми далекі від умов реального фізичного експерименту. Наприклад, щодо теорій великого об`єднання передбачається, що відмінність між окремими типами відомих взаємодії починає стиратися при енергіях частинок понад 14 жовтня ГеВ, що набагато перевищує енергії, досяжні в найбільших прискорювачах. Нещодавно збудований Великий адронний коллайдер дозволяє досягти енергії 10 квітня ГеВ.
Неможливість передбачити результат, який би можна було перевірити експериментально на сучасному етапі розвитку фізичного обладнання, створює ситуацію, коли теорії великого об`єднання є цікавою математичної фантазією. Інтерес до цих фундаментальних проблем фізики, ймовірно, завжди буде залишатися великим, оскільки інтерес один з основних мотивів діяльності людства, одночасно фізика цілому є наукою насамперед природною, тобто вона намагається знайти пояснення тим фактам і явищам, які можна спостерігати.
Включення в загальну схему гравітаційної взаємодії набагато складніше завдання. Для її вирішення потрібно перш за все побудувати послідовну квантову теорію гравітації. До сих пір фізики не зуміли цього зробити. Проблема наштовхується на принципові складності, перш за все через неможливість перенормування квантової теорії гравітаційного поля в її сучасній інтерпретації. Тому теорії великого об`єднання пробують знайти єдиний підхід до трьох інших типів взаємодій, розглядаючи це як етап в побудові теорії всього.


В середині 19 століття була побудована теорія електромагнетизму - класична електродинаміка. Вона знайшла зв`язок і об`єднала електрику і магнетизм. На той час була відома тільки одна інша фундаментальне взаємодія - гравітація. Об`єднання класичної електродинаміки з теорією гравітації здійснив Альберт Ейнштейн в рамках загальної теорії відносності.
Однак, незабаром, були відкриті нуклони, і стало ясно, що взаємодія нуклонів між собою, а також з електронами і електромагніти полем, не описується відомими взаємодіями - вона зовсім інша. Більш того, процеси в атомному ядрі і при зіткненні нуклонів іноді відбуваються швидко, що свідчить про великий взаємодія, а іноді, повільно, що свідчить про дуже малу взаємодія. Тому для опису ядерних процесів довелося ввести два різних типи фундаментального взаємодії, які назвали просто - сильна взаємодія і слабка взаємодія.
Фізика розвинулася також в іншому напрямку - стало ясно, що рух частинок в мікросвіті не описується класичною механікою. Була побудована квантова механіка, а потім квантова електродинаміка. Однак, побудова квантової теорії гравітації змусила себе чекати.
У 1960-х була побудована квантова хромодинамика - теорія сильної взаємодії. У 1979 році Нобелівською премією з фізики була відзначена робота Шелдона Лі Глешоу, Абдус Салама і Стівена Вайнберга над об`єднаною теорією слабких і електромагнітних взаємодій, електрослабкої взаємодії, між елементарними частинками, в тому числі передбачення слабких нейтральних струмів, які незабаром були виявлені експериментально.


Таким чином, перед теоріями великого об`єднання стоїть завдання створення математичної побудови, яка об`єднувала б сильну і електрослабкої взаємодії. При малих енергіях, в умовах, близьких до умов реального фізичного експерименту, ця об`єднана взаємодія повинна мати два різних прояви, які відповідали б відомим взаємодій, а при високих енергіях відмінності між цими двома проявами повинні стиратися.
Станом на 2010 у фізиці елементарних частинок прийнятою є так звана Стандартна модель, яка, однак, має ще деякі невирішені питання, зокрема проблему нейтронних осциляцій. Таким чином, загальною вимогою до теорій великого об`єднання є редукування Стандартної моделі при малих енергіях.
Теорії великого об`єднання будуються на звичному в квантової теорії поля підході: постулюється існування певного поля з певною структурою, записується функція Лагранжа для цього поля, варіація якої дає рівняння руху. Такий підхід успішно працює в квантової електродинаміки і квантової хромодинамике.
Постулировано поле - складний математичний об`єкт, який повинен відповідати певним фізичним принципам, наприклад, принципу загальної ковариантности, тобто отримані рівння руху повинні бути однаковими у всіх системах відліку. Крім того, постулировано поле повинно мати певну внутрішню симетрію, бути інваріантним щодо калібрувальних перетворень. Такі математичні об`єкти вивчаються теорією груп. Для побудови теорій великого об`єднання використовуються групи SU (n), тобто групи матриць з одиничними визначниками.
З квантової хромодинаміки відомо, що сильна взаємодія описується з використанням групи SU (3), теорія електрослабкої взаємодії оперує групою SU (2). Тому група, яку використовує теорія великого об`єднання, повинна при малих енергіях розпадатися на ці дві групи, тобто редукувати до SU (3) x SU (2). Найменшою з таких груп є група SU (5), однак це не єдиний варіант, тому теорій великого об`єднання багато. Вибір між ними повинен здійснюватися на основі експериментальної перевірки, складно.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!