Zunifikowana Teoria Pola: Tying It All Together

Od wieków naukowcy próbowali opisać wszystkie podstawowe siły natury i ich wzajemne oddziaływanie w jednej teorii. Ta zunifikowana teoria pola wprawiła w osłupienie takich jak Albert Einstein, który pracował nad nią przez wiele lat.

W fizyce pole to obszar znajdujący się pod wpływem jakiejś siły, takiej jak grawitacja lub elektromagnetyzm. Teoria pola odnosi się ogólnie do tego, dlaczego zachodzą zjawiska fizyczne i jak te zjawiska oddziałują z przyrodą.

Cztery podstawowe siły to:

• Oddziaływanie elektromagnetyczne: Elektromagnetyzm odnosi się do oddziaływań, które wpływają na elektrycznie naładowane cząstki, w szczególności na rodzaje światła. Cząstka dla tej siły jest nazywany foton.
• Silne oddziaływanie: Jest to siła, która wiąże razem neutrony (neutralnie naładowane cząstki) i protony (dodatnio naładowane cząstki) w jądro wewnątrz atomu, który jest podstawową jednostką elementu chemicznego. Cząstka dla tej siły jest gluon.
• Słabe oddziaływanie: Ta siła powoduje niektóre rodzaje radioaktywności, i jest aktywny na małych cząstek, takich jak elektrony, kwarki i neutrin. Cząstki dla tej siły to bozony W i Z.
• Oddziaływanie grawitacyjne: Grawitacja jest atrakcyjnym oddziaływaniem, które wpływa na wszystkie kawałki wszechświata, zarówno duże, jak i małe. Chociaż nie została odkryta, teoretyczną cząstką dla tej siły byłby grawiton.

Praca Einsteina

Szkocki fizyk James Clerk Maxwell stworzył pierwszą teorię pola w połowie XIX wieku, dotyczącą elektromagnetyzmu. Następnie, na początku 1900 roku, Einstein wysunął swoją teorię względności ogólnej, która ma związek z teorią pola grawitacji.

Einstein próbował opracować jednolitą teorię pola w latach 20-tych XX wieku, ale przeszkodziła mu w tym znajomość tylko niektórych sił. Podczas gdy elektromagnetyzm i grawitacja były dobrze znane, badania nad atomem były w powijakach; w tamtym czasie elektron i proton były jedynymi znanymi cząstkami subatomowymi, według Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego.

Einstein (współpracując początkowo z Jacobem Grommerem) opierał się na pracy innych naukowców, którzy próbowali przekształcić czasoprzestrzeń w pięć wymiarów. Konkretnie, praca Einsteina nad czasoprzestrzenią zajęłaby cztery wymiary, a dodatkowy zestaw równań (reprezentujący równania Maxwella dla elektromagnetyzmu) byłby piątym. Naukowcy, którzy pracowali nad tym problemem, to między innymi Hermann Weyl, Theodor Kaluza i Oskar Klein.

Pierwsza praca Einsteina na temat tej teorii powstała w 1922 roku i była echem pracy opublikowanej przez Kaluzę w 1921 roku. W późniejszym okresie swojej kariery, według APS, Einstein próbował również stworzyć teorię unifikującą, która uogólniałaby tensor metryczny (który mierzy krzywiznę przestrzeni i czasu). Einstein próbował obu metod przez ostatnie trzy dekady swojego życia, ale bezskutecznie. Poprosił nawet, aby przyniesiono mu jego notatki na dzień przed śmiercią, jak twierdzi APS.

Najnowsze podejścia

Jednym z ograniczeń pracy Einsteina było początkowo odrzucenie, a następnie nieznajomość teorii kwantowej (co przyznał w miarę upływu lat).Jednak nawet dzisiaj naukowcy, którzy znają teorię kwantową, również mają trudności z wymyśleniem jednolitej teorii.

Rozważa się wiele podejść, ale najbardziej obiecujące, według APS, wiążą się z teorią strun. Teoria ta „opisuje wszystkie cząstki elementarne jako wibrujące struny, z różnymi trybami wibracji wytwarzającymi różne cząstki”.

W latach 80. fizycy (kierowani przez Johna Schwarza i Michaela Greena) doszli do wniosku, że teoria strun może działać ze względu na ich wibracje. Podobnie jak skrzypce grają różne nuty, teoria zakładała, że różne wibracje w strunach natury będą tworzyć różne cząstki. W połowie lat 90. Edward Witten zaproponował dokładniejszą teorię teorii strun, zwaną obecnie M-teorią. Jego praca rozszerzyła wymiary teorii strun z sześciu do siedmiu i pokazała nowe składniki teorii (w tym rozgałęzienia, czyli membranopodobne obiekty w różnych wymiarach.)

Praca w tej dziedzinie dopiero się rodzi, ale naukowcy starają się poznać więcej fizycznych właściwości strun, badając cząstki subatomowe produkowane w akceleratorach cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów. Między innymi, eksperymenty LHC mają na celu poszukiwanie supersymetrii, czyli domniemanej matematycznej właściwości, w której każdy gatunek cząstek miałby swój gatunek partnerski.

Fizycy ostrzegają, że słabością teorii strun jest to, że nie została ona jeszcze potwierdzona przez dane. Istnieją również inne podejścia do zunifikowanej teorii pola, takie jak kwantowa grawitacja, która stara się opisać grawitację w kategoriach matematyki kwantowej.