Теории великого объединения

Теории великого объединения - общее название для попыток построения единой теории трех из четырех фундаментальных взаимодействий : слабой, электромагнитной и сильной. Теоретические построения, которые включают еще и четвертую взаимодействие - гравитационную - называют другими терминами: единой теорией поля или теорией всего.


1. Основные положения

Попытки построения единой теории аргументированные верой в то, что природа по своей сути единственная, и четыре отдельных первопричины для нее слишком много. Если в привычных для людей условиях четыре типа фундаментальных взаимодействий проявляются по разному, то, наверное, существуют условия, при которых различить взаимодействия становится невозможно - все они являются частными случаями одной, все еще неизвестной, гипотетической взаимодействия.

2. Общий недостаток

Общим недостатком всех теорий великого объединения и теории всего является то, что условия, при которых стирается разница между известными типами взаимодействий, очень далеки от условий реального физического эксперимента. Например, относительно теорий великого объединения предполагается, что различие между отдельными типами известных взаимодействия начинает стираться при энергиях частиц более 14 Октября ГэВ, что намного превышает энергии, достижимые в крупнейших ускорителях. Недавно построенный Большой адронный коллайдер позволяет достичь энергии 10 апреля ГэВ.

Невозможность предсказать результат, который можно было бы проверить экспериментально на современном этапе развития физического оборудования, создает ситуацию, когда теории великого объединения интересна математической фантазией. Интерес к этим фундаментальных проблем физики, пожалуй, всегда будет большим, поскольку интерес один из основных мотивов деятельности человечества, одновременно физика целом является наукой прежде всего естественной, то есть она пытается найти объяснение тем фактам и явлениям, которые можно наблюдать.


3. Почему гравитационное взаимодействие отделяется?

Включение в общую схему гравитационного взаимодействия гораздо сложнее задача. Для ее решения нужно прежде всего построить последовательную квантовую теорию гравитации. До физики не сумели этого сделать. Проблема наталкивается на принципиальные сложности, прежде всего из-за невозможности перенормировки квантовой теории гравитационного поля в ее современной интерпретации. Поэтому теории великого объединения пытаются найти единый подход к трех других типов взаимодействий, рассматривая это как этап в построении теории всего.


4. Исторический очерк

В середине 19 века была построена теория электромагнетизма - классическая электродинамика. Она нашла связь и объединила электричество и магнетизм. В то время была известна только одна другая фундаментальная взаимодействие - гравитация. Объединение классической электродинамики теории гравитации совершил Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности.

Однако вскоре, были открыты нуклоны, и стало ясно, что взаимодействие нуклонов между собой, а также с электронами и электромагнитным полем, не описывается известными взаимодействиями - она совсем другая. Более того, процессы в атомном ядре и при столкновении нуклонов иногда происходят быстро, что свидетельствует о большой взаимодействие, а иногда, медленно, что свидетельствует об очень малой взаимодействие. Поэтому для описания ядерных процессов пришлось ввести два различных типа фундаментального взаимодействия, которые назвали просто - сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.

Физика развилась также в другом направлении - стало ясно, что движение частиц в микромире не описывается классической механикой. Была построена квантовая механика, а затем квантовая электродинамика. Однако, построение квантовой теории гравитации незамедлительно.

В 1960-тых годах была построена квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия. В 1979 году нобелевской премией по физики была отмечена работа Шелдона Ли Глэшоу, Абдус Салама и Стивена Вайнберга над объединенной теории слабых и электромагнитных взаимодействий, электрослабого взаимодействия, между элементарными частицами, в том числе предсказания слабых нейтральных токов, которые вскоре были выявлены экспериментально.

Таким образом, перед теориями великого объединения стоит задача создания математической построения, которая объединяла бы сильную и электрослабого взаимодействия. При малых энергиях, в условиях, близких к условиям реального физического эксперимента, эта объединенная взаимодействие должно иметь два разных проявления, соответствующие известным взаимодействиям, а при высоких энергиях различия между этими двумя проявлениями должны стираться.

По состоянию на 2010 год в физике элементарных частиц принятой является так называемая Стандартная модель, которая, однако, имеет еще некоторые нерешенные вопросы, в частности проблему нейтринных осцилляций. Таким образом, общим требованием к теориям великого объединения является редуцирования в Стандартной модели при малых энергиях.


5. Принципы построения

Теории великого объединения строятся на привычном в квантовой теории поля подходе: постулируется существование определенного поля с определенной структурой, записывается функция Лагранжа для этого поля, вариация которой дает уравнения движения. Такой подход успешно работает в квантовой электродинамике и квантовой хромодинамике.

Постулированной поле - сложный математический объект, который должен удовлетворять определенным физическим принципам, например, принципа общей ковариантности, т.е. получены уравнения движения должны быть одинаковыми во всех системах отсчета. Кроме того, постулированной поле должно иметь определенную внутреннюю симметрию, быть инвариантным относительно калибровочных преобразований. Такие математические объекты изучаются теорией групп. Для построения теорий великого объединения используются группы SU (n), т.е. группы матриц с единичными определителями.

С квантовой хромодинамики известно, что сильное взаимодействие описывается с использованием группы SU (3), теория электрослабого взаимодействия оперирует группой SU (2). Поэтому группа, которую использует теория великого объединения, должна при малых энергиях распадаться на эти две группы, т.е. редуцироваться до SU (3) ? SU (2). Наименьшей из таких групп является группа SU (5), однако это не единственный вариант, так теорий великого объединения много. Выбор между ними должен осуществляться на основе экспериментальной проверки, сложно.


Литература

  1. (Рус.) Грэхэм Л. Р. Глава XI. Релятивистская физика. Теории Большого Объединения / / Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе - М.: Политиздат, 1991.
  2. (Англ.) Takeshi Fukuyama Grand unified theories - current status and future prospects. AIP Press, Melville 2008, ISBN 978-0-7354-0536-3.