Курсовая работа: Єдина теорія полів і взаємодій

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 ( 10-29 див), називаною крапкою Великого об'єднання.

У міру росту енергії (починаючи від найнижчих) сильна, електромагнітна й слабка взаємодії зливаються в єдине у два етапи. При енергії 102 ГеВ (відстані 10-16 див) електромагнітна взаємодія зливається зі слабким в електрослбке. Утворення електрослабкої взаємодії є встановленим фактом і його теорією створена (електрослабка модель). У крапці Великого об'єднання електрослабка взаємодія зливається із сильним. Це злиття є гіпотезою. Переносниками сил Великого об'єднання вважаються гіпотетичні бозони X і Y, що мають величезні маси 1015 – 1016 ГеВ/з2.

Незважаючи на те, що неможливо штучно створити умови для Великого об'єднання через фантастичні енергії, необхідних для цього, існує ряд якісно нових ефектів, що пророкуються цим об'єднанням, які можна перевірити в лабораторних умовах. Так теорії Великого об'єднання (ТВО) пророкують розпад протона на позитрон і нейтральну півонію. У цьому розпаді не зберігається ні баріонне, ні лептонне квантове число (у всіх процесах, що спостерігалися, ці числа зберігалися), причому час такого розпаду в найпростіших ТВО близько 1030 років. Такі розпади не виявлені й нижня границя часу такого розпаду 1032 років.

Умови для Великого об'єднання могли існувати у Всесвіті в короткий період відразу після Великого вибуху, тобто близько 13-14 млрд років тому, коли її вік становив 10–43-10–36 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8