Einheitliche Feldtheorie - Unified field theory

"Einheitliche Theorie" leitet hier weiter. Für die Band siehe Unified Theory (Band) .

In der Physik ist eine vereinheitlichte Feldtheorie ( UFT ) eine Art Feldtheorie , die es ermöglicht, alles, was normalerweise als fundamentale Kräfte und Elementarteilchen angesehen wird , in Form eines Paares von physikalischen und virtuellen Feldern zu schreiben. Nach den modernen Erkenntnissen der Physik werden Kräfte nicht direkt zwischen interagierenden Objekten übertragen, sondern durch Zwischeneinheiten, sogenannte Felder, beschrieben und unterbrochen .

Klassisch jedoch wird eine Dualität der Felder zu einem einzigen physikalischen Feld zusammengefasst. Seit über einem Jahrhundert ist die Einheitliche Feldtheorie eine offene Forschungsrichtung und der Begriff wurde von Albert Einstein geprägt , der versuchte, seine allgemeine Relativitätstheorie mit dem Elektromagnetismus zu vereinen . Die " Theory of Everything " und die Grand Unified Theory sind eng mit der einheitlichen Feldtheorie verwandt, unterscheiden sich jedoch dadurch, dass die Basis der Natur nicht Felder sein müssen und oft versucht wird, physikalische Konstanten der Natur zu erklären . Frühere Versuche, die auf der klassischen Physik basieren, sind im Artikel über klassische vereinheitlichte Feldtheorien beschrieben .

Das Ziel einer einheitlichen Feldtheorie hat zu großen Fortschritten für die zukünftige theoretische Physik geführt und der Fortschritt geht weiter.

Einführung

Kräfte

Das Standardmodell von Elementarteilchen + hypothetisches Graviton

Alle vier bekannten Grundkräfte werden durch Felder vermittelt, die im Standardmodell der Teilchenphysik aus dem Austausch von Eichbosonen resultieren . Konkret sind die vier zu vereinheitlichenden grundlegenden Wechselwirkungen:

Die moderne einheitliche Feldtheorie versucht, diese vier Kräfte und Materie in einem einzigen Rahmen zusammenzuführen.

Geschichte

Klassische Theorie

Die erste erfolgreiche klassische vereinheitlichte Feldtheorie wurde von James Clerk Maxwell entwickelt . 1820 entdeckte Hans Christian Ørsted , dass elektrische Ströme Kräfte auf Magnete ausüben , während Michael Faraday 1831 die Beobachtung machte, dass zeitveränderliche Magnetfelder elektrische Ströme induzieren können. Bis dahin wurden Elektrizität und Magnetismus als unabhängige Phänomene betrachtet. 1864 veröffentlichte Maxwell seine berühmte Arbeit über eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes . Dies war das erste Beispiel für eine Theorie, die zuvor getrennte Feldtheorien (nämlich Elektrizität und Magnetismus) umfassen konnte, um eine vereinheitlichende Theorie des Elektromagnetismus bereitzustellen. Bis 1905 hatte Albert Einstein die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in Maxwells Theorie genutzt, um unsere Vorstellungen von Raum und Zeit zu einer Einheit zu vereinen, die wir heute Raumzeit nennen, und 1915 erweiterte er diese Theorie der speziellen Relativitätstheorie zu einer Beschreibung der Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie , mit einem Feld, um die gekrümmte Geometrie der vierdimensionalen Raumzeit zu beschreiben.

In den Jahren nach der Entstehung der allgemeinen Theorie beteiligte sich eine Vielzahl von Physikern und Mathematikern mit Begeisterung an dem Versuch, die damals bekannten fundamentalen Wechselwirkungen zu vereinheitlichen. Im Hinblick auf spätere Entwicklungen auf diesem Gebiet von besonderem Interesse sind die Theorien von Hermann Weyl von 1919, der das Konzept eines (elektromagnetischen) Eichfeldes in eine klassische Feldtheorie einführte, und zwei Jahre später das von Theodor Kaluza , der Allgemeine Relativitätstheorie zu fünf Dimensionen . Fortsetzung in dieser letzteren Richtung schlug Oscar Klein im Jahr 1926 , dass die vierte wird räumliche Dimension zusammengerollt in einen kleinen, unbeobachtet Kreis. In der Kaluza-Klein-Theorie verhält sich die Gravitationskrümmung der zusätzlichen Raumrichtung wie eine zusätzliche Kraft ähnlich dem Elektromagnetismus. Diese und andere Modelle des Elektromagnetismus und der Gravitation wurden von Albert Einstein in seinen Versuchen einer klassischen einheitlichen Feldtheorie verfolgt . Bereits 1930 hatte Einstein das Einstein-Maxwell-Dirac-System [Dongen] in Betracht gezogen. Dieses System ist (heuristisch) die superklassische [Varadarajan] Grenze der (mathematisch nicht genau definierten) Quantenelektrodynamik . Man kann dieses System um die schwachen und starken Kernkräfte erweitern, um das Einstein-Yang-Mills-Dirac-System zu erhalten. Die französische Physikerin Marie-Antoinette Tonnelat veröffentlichte Anfang der 1940er Jahre eine Arbeit über die Standardkommutierungsbeziehungen für das quantisierte Spin-2-Feld. Diese Arbeit führte sie in Zusammenarbeit mit Erwin Schrödinger nach dem Zweiten Weltkrieg fort . In den 1960er Jahren schlug Mendel Sachs eine allgemein kovariante Feldtheorie vor, die keinen Rückgriff auf Renormierung oder Störungstheorie erforderte. 1965 veröffentlichte Tonnelat ein Buch über den Stand der Forschung zu einheitlichen Feldtheorien.

Moderner Fortschritt

1963 schlug der amerikanische Physiker Sheldon Glashow vor, dass die schwache Kernkraft , Elektrizität und Magnetismus aus einer teilweise vereinheitlichten elektroschwachen Theorie entstehen könnten . 1967 revidierten der Pakistaner Abdus Salam und der Amerikaner Steven Weinberg unabhängig Glashows Theorie, indem sie die Massen für das W-Teilchen und das Z-Teilchen durch spontane Symmetriebrechung mit dem Higgs-Mechanismus entstehen ließen . Diese vereinheitlichte Theorie modelliert die elektroschwache Wechselwirkung als eine Kraft, die von vier Teilchen vermittelt wird: dem Photon für den elektromagnetischen Aspekt und einem neutralen Z-Teilchen und zwei geladenen W-Teilchen für den schwachen Aspekt. Durch die spontane Symmetriebrechung wird die schwache Kraft kurzreichweitig und die W- und Z-Bosonen erhalten Massen von 80,4 und91,2 GeV/c 2 . Ihre Theorie wurde erstmals durch die Entdeckung schwacher neutraler Ströme im Jahr 1973 experimentell gestützt. 1983 wurden die Z- und W-Bosonen erstmals am CERN von Carlo Rubbias Team produziert. Für ihre Erkenntnisse erhielten Glashow, Salam und Weinberg 1979 den Nobelpreis für Physik . 1984 erhielten Carlo Rubbia und Simon van der Meer den Preis.

Nachdem Gerardus 't Hooft gezeigt hatte, dass die elektroschwachen Wechselwirkungen Glashow-Weinberg-Salam mathematisch konsistent sind, wurde die elektroschwache Theorie zu einer Vorlage für weitere Versuche, Kräfte zu vereinigen. 1974 schlugen Sheldon Glashow und Howard Georgi vor, die starken und elektroschwachen Wechselwirkungen im Georgi-Glashow-Modell zu vereinen , der ersten Grand Unified Theory , die beobachtbare Effekte für Energien weit über 100 GeV haben würde.

Seitdem gab es mehrere Vorschläge für Grand Unified Theories, zB das Pati-Salam-Modell , obwohl derzeit keiner allgemein akzeptiert wird. Ein großes Problem für experimentelle Tests solcher Theorien ist die Energieskala, die weit außerhalb der Reichweite heutiger Beschleuniger liegt . Große vereinheitlichte Theorien machen Vorhersagen für die relativen Stärken der starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte, und im Jahr 1991 stellte LEP fest, dass supersymmetrische Theorien das richtige Kopplungsverhältnis für eine große vereinheitlichte Georgi-Glashow-Theorie aufweisen.

Viele Grand Unified Theories (aber nicht Pati-Salam) sagen voraus, dass das Proton zerfallen kann , und wenn dies zu sehen wäre, könnten Details der Zerfallsprodukte Hinweise auf weitere Aspekte der Grand Unified Theory geben. Es ist derzeit nicht bekannt, ob das Proton zerfallen kann, obwohl Experimente eine untere Grenze von 10 35 Jahren für seine Lebensdauer ermittelt haben.

Aktueller Status

Theoretische Physiker haben noch keine allgemein akzeptierte, konsistente Theorie formuliert, die allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu einer Theorie von allem verbindet . Der Versuch, das Graviton mit den starken und elektroschwachen Wechselwirkungen zu kombinieren, führt zu grundlegenden Schwierigkeiten und die resultierende Theorie ist nicht renormierbar . Die Unvereinbarkeit der beiden Theorien bleibt ein herausragendes Problem auf dem Gebiet der Physik.

Siehe auch

Verweise

Externe Links