통일장론

Unified field theory
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대통합 이론과 혼동하지 마십시오.

물리학에서 통합장 이론(Unified Field Theory, UFT)은 일반적으로 기본적인 힘과 기본 입자로 생각되는 모든 것을 물리적 장과 가상 장의 쌍으로 작성할 수 있도록 하는 장 이론의 한 유형입니다. 물리학의 현대적 발견에 따르면 힘은 상호작용하는 물체들 사이에서 직접 전달되는 것이 아니라 장이라는 매개적 실체에 의해 설명되고 해석됩니다.

그러나 고전적으로 필드의 이중성은 단일 물리적 필드로 결합됩니다.[1] 한 세기가 넘도록 통일장 이론은 열린 연구 노선으로 남아 있습니다. 그 용어는 그의 일반 상대성 이론을 전자기학과 통합하려고 시도했던 [2]알버트 아인슈타인에 의해 만들어졌습니다. "모든 것의 이론"과 "그랜드 통일 이론[4]"은 통일장 이론과 밀접한 관련이 있지만, 자연의 기초가 장일 것을 요구하지 않는다는 점과 자연의 물리적 상수를 설명하려고 시도하는 경우가 많다는 점에서 차이가 있습니다. 고전물리학에 기반을 둔 이전의 시도들은 고전적 통일장 이론에 관한 기사에 기술되어 있습니다.

통일장 이론의 목표는 미래의 이론 물리학에 많은 진전을 가져왔고, 진전은 계속되고 있습니다.[citation needed]

서론

폭력

소립자 + 가상의 중력자의 표준모형

알려진 네 가지 기본 힘은 모두 장에 의해 매개되며, 입자 물리학의 표준 모델에서 게이지 보손의 교환에서 비롯됩니다. 구체적으로 통합해야 할 네 가지 기본 상호 작용은 다음과 같습니다.

현대의 통일장 이론은 이 네 가지 힘과 물질을 하나의 틀로 통합하려고 시도합니다.

역사

고전이론

최초의 성공적인 고전적 통일장 이론은 제임스 클러크 맥스웰에 의해 개발되었습니다. 1820년 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 자석에 힘을 가하는 것을 발견했고, 1831년 마이클 패러데이는 시간에 따라 변하는 자기장이 전류를 유도할 수 있다는 것을 관찰했습니다. 그때까지 전기와 자기는 서로 관련이 없는 현상으로 여겨졌습니다. 1864년 맥스웰은 전자기장의 역학 이론에 관한 유명한 논문을 발표했습니다. 이것은 전자기력의 통합 이론을 제공하기 위해 이전에 분리된 필드 이론(즉, 전기와 자기)을 포괄할 수 있었던 이론의 첫 번째 예였습니다. 1905년까지 알버트 아인슈타인은 맥스웰의 이론에서 빛의 속도의 불변성을 사용하여 공간과 시간에 대한 우리의 개념을 현재 우리가 시공간이라고 부르는 실체로 통일했고 1915년에 그는 이 특수 상대성 이론을 중력, 일반 상대성 이론에 대한 설명으로 확장했습니다. 필드를 사용하여 4차원 시공간의 곡선 기하학을 설명합니다.

일반 이론이 탄생한 후 몇 년 동안 수많은 물리학자와 수학자들이 당시 알려진 기본적인 상호작용을 통합하려는 시도에 열정적으로 참여했습니다.[5] 이 영역의 나중의 발전을 고려할 때, 특히 흥미로운 것은 고전 장 이론에서[6] (전자파) 게이지 필드의 개념을 소개한 1919년의 헤르만 바일의 이론과 2년 후 일반 상대성 이론을 5차원으로 확장한 테오도르 칼루자의 이론입니다.[7] 이 후자의 방향으로 계속해서, 오스카 클라인은 1926년에 네 번째 공간 차원을 관찰되지 않는 작은 원으로 웅크릴 것을 제안했습니다. 칼루자-클라인 이론에서는 공간 외 방향의 중력 곡률이 전자기학과 유사한 추가적인 힘으로 작용합니다. 전자기학과 중력의 이러한 모델들과 다른 모델들은 고전적인 통일장 이론을 시도하는 알버트 아인슈타인에 의해 추구되었습니다. 1930년까지 아인슈타인은 이미 아인슈타인-맥스웰-디랙 시스템을 고려했습니다. 이 시스템은 (해석학적으로) (수학적으로 잘 정의되지 않은) 양자 전기역학의 초고전적 [바라다라잔] 한계입니다. 이 시스템을 확장하여 약하고 강한 핵력을 포함하여 아인슈타인-양-밀스-디랙 시스템을 얻을 수 있습니다. 프랑스 물리학자 마리 앙투아네트 톤넬라는 1940년대 초에 양자화된 스핀-2 장에 대한 표준적인 교환 관계에 대한 논문을 발표했습니다. 그녀는 제2차 세계 대전 이후 에르빈 슈뢰딩거와 협력하여 이 작업을 계속했습니다. 1960년대에 멘델 삭스는 재규격화나 섭동 이론에 의존할 필요가 없는 일반적인 공변장 이론을 제안했습니다. 1965년, 톤넬랏은 통일장 이론에 관한 연구 현황에 관한 책을 출판했습니다.

근대적 진보

1963년 미국의 물리학자 셸던 글래쇼는 약한 핵력, 전기, 자기가 부분적으로 통일된 전기약이론에서 나올 수 있다고 제안했습니다. 1967년 파키스탄의 압두스 살람과 미국의 스티븐 와인버그는 힉스 메커니즘과의 자발적인 대칭 파괴를 통해 W 입자와 Z 입자의 질량이 발생하도록 함으로써 글래쇼의 이론을 독립적으로 수정했습니다. 이 통일된 이론은 전자약 상호작용을 전자기적 측면의 광자, 중성인 Z입자, 약한 측면의 두 대전된 W입자의 네 가지 입자에 의해 매개되는 힘으로 모델링했습니다. 자발적 대칭 깨짐의 결과로 약력은 근거리가 되고 W와 Z 보손은 각각 80.4와 91.2 GeV/c의2 질량을 얻습니다. 그들의 이론은 1973년 약한 중성 전류의 발견에 의해 처음으로 실험적인 지지를 받았습니다. 1983년, Z와 W 보손은 CERN에서 Carlo Rubbia의 팀에 의해 처음 생산되었습니다. 그들의 통찰력으로 글래쇼, 살람, 와인버그는 1979년 노벨 물리학상을 수상했습니다. Carlo Rubbia와 Simon van der Meer는 1984년에 상을 받았습니다.

제라두스의 후크가 글래쇼를 보여준 후에-수학적으로 일관성을 갖기 위해 와인버그-살람 전기약물 상호작용, 전기약물 이론은 힘을 통합하려는 추가적인 시도의 본보기가 되었습니다. 1974년 셸던 글래쇼와 하워드 조지는 강한 상호작용과 약한 상호작용을 조지-글래쇼 모델로 통합할 것을 제안했는데, 이 모델은 100 GeV를 훨씬 넘는 에너지에서 관측 가능한 효과를 가질 것입니다.

그 이후로 Patti-Salam 모델과 같은 대통합 이론에 대한 몇 가지 제안이 있었지만, 현재 보편적으로 받아들여지고 있는 것은 없습니다. 그러한 이론의 실험적 테스트를 위한 주요 문제는 관련된 에너지 규모이며, 이는 현재 가속기의 범위를 훨씬 벗어난 것입니다. 대통합이론은 강한 힘, 약한 힘, 전자기력의 상대적인 세기를 예측하며, 1991년 LEP는 초대칭 이론이 조지-글래쇼 대통합이론에 대해 정확한 결합 비율을 갖는다고 결정했습니다.

많은 대통합 이론들은 양성자가 붕괴할 수 있다고 예측합니다. 만약 이것을 본다면, 붕괴 생성물의 세부 사항은 대통합 이론의 더 많은 측면에 대한 힌트를 줄 수 있을 것입니다. 실험 결과 양성자가 붕괴할 수 있는지는 현재로서는 알 수 없지만, 수명에 대한 하한선은35 10년으로 결정되었습니다.

현황

이론 물리학자들은 아직 일반 상대성 이론과 양자 역학을 결합하여 모든 것의 이론을 형성하는 널리 받아들여지고 일관된 이론을 공식화하지 못했습니다. 중력자와 강한 전기약한 상호작용을 결합하려는 시도는 근본적인 어려움으로 이어지고, 그로 인한 이론은 다시 정규화될 수 없습니다. 두 이론의 양립 불가능성은 물리학 분야에서 여전히 미해결 문제로 남아 있습니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Ernan McMullin (2002). "The Origins of the Field Concept in Physics" (PDF). Phys. Perspect. 4 (1): 13–39. Bibcode:2002PhP.....4...13M. doi:10.1007/s00016-002-8357-5. S2CID 27691986.
  2. ^ "How the search for a unified theory stumped Einstein to his dying day". phys.org.
  3. ^ Stephen W. Hawking (28 February 2006). The Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe. Phoenix Books; Special Anniv. ISBN 978-1-59777-508-3.
  4. ^ Ross, G. (1984). Grand Unified Theories. Westview Press. ISBN 978-0-8053-6968-7.
  5. ^ A의 Catherine Goldstein & Jim Ritter (2003) "통일의 다양성: 통일된 이론으로 들리는 것" 참조. Ashtekar, et al. (eds.), 상대론적 물리학의 기초 재검토, Dordrecht, Kluwer, p. 93-149; 블라디미르 비긴(1994), 20세기 첫 번째 3분의 통합장 이론, 바젤, Birkhäuser; Wayback Machine에서 보관된 통합장 이론의 역사에 관한 휴버트 괴너.
  6. ^ 에르하르트 숄츠(Erhard Scholtz, 2001), 헤르만 바일의 라움-자이트-마테리와 그의 과학적 연구에 대한 일반적인 소개, 바젤, 비르호이저.
  7. ^ Daniela Wuensch(2003), "다섯 번째 차원: 테오도르 칼루자의 획기적인 아이디어", Annalener Physik, vol. 12, 519–542쪽.

더보기

  • 제로엔 반 동겐 아인슈타인의 통일, 케임브리지 대학 출판부 (2010년 7월 26일)
  • V.S. 수학자들을 위한 초대칭 바라다라얀: 미국수학학회 개론(강좌 노트) (2004년 7월)

외부 링크

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