תאוריית שדה מאוחד

בפיזיקה, תורת שדות מאוחדת (באנגלית: Unified field theory, ובראשי תיבות: UFT) היא סוג של תורת שדות המאפשרת לכתוב את כל מה שנחשב בדרך כלל ככוחות יסוד וחלקיקים יסודיים במונחים של זוג שדות פיזיים ווירטואליים. על פי התגליות המודרניות בפיזיקה, כוחות אינם מועברים ישירות בין עצמים המקיימים אינטראקציה אלא מתוארים ומתפרשים על ידי ישויות מתווך הנקראות שדות.

המטרה של תאוריית שדה מאוחדת הובילה להתקדמות רבה עבור הפיזיקה התאורטית העתידית, וההתקדמות נמשכת.

הקדמה

כוחות

כל ארבעת הכוחות היסודיים הידועים מתווכים על ידי שדות, אשר במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים נובעים מחילופי בוזונים של מד. באופן ספציפי, ארבע הכוחות הבסיסים שיש לאחד הם:

• הכוח החזק: הכוח האחראי על החזקת קווארקים יחד ליצירת האדרונים, והחזקת נייטרונים וגם פרוטונים יחד ליצירת גרעיני אטום. חלקיק החליפין שמתווך כוח זה הוא הגלואון.
• הכוח האלקטרו מגנטי: הכוח הפועל על חלקיקים טעונים חשמלית. הפוטון הוא חלקיק ההחלפה של הכוח הזה.
• הכוח החלש: כוח קצר טווח האחראי על צורות מסוימות של רדיואקטיביות, הפועל על אלקטרונים, ניטרינו וקווארקים. זה מתווך על ידי בוזונים W ו-Z.
• כוח הכבידה: כוחה אטרקטיבי ארוך טווח הפועל על כל החלקיקים. חלקיק החליפין המשוער קיבל את השם הגרביטון(אנ').

תורת השדה המאוחד המודרנית מנסה לטעון שארבע הכוחות הם למעשה כוח אחד במצבים שונים, וכך לחבר בין תורת היחסות הכללית שעוסקת בכוח הכבידה לבין תורת הקוונטים שעוסקת בשאר הכוחות.

היסטוריה

תיאוריה קלאסית

תאוריית השדה המאוחד הקלאסית המוצלחת הראשונה פותחה על ידי ג'יימס קלרק מקסוול. בשנת 1820 גילה הנס כריסטיאן אורסטד שזרמים חשמליים מפעילים כוחות על מגנטים, בעוד שב-1831, מייקל פאראדיי עשה את התצפית ששדות מגנטיים משתנים בזמן יכולים לגרום לזרמים חשמליים. עד אז, חשמל ומגנטיות נחשבו כתופעות לא קשורות. בשנת 1864 פרסם מקסוול את מאמרו המפורסם על תיאוריה דינמית של השדה האלקטרומגנטי. זו הייתה הדוגמה הראשונה לתיאוריה שהצליחה להקיף תיאוריות שדות נפרדות בעבר (כלומר חשמל ומגנטיות) כדי לספק תיאוריה מאחדת של אלקטרומגנטיות. עד 1905, אלברט איינשטיין השתמש בקביעות מהירות האור בתיאוריה של מקסוול כדי לאחד את מושגי המרחב והזמן שלנו לישות שאנו מכנים כיום מרחב זמן ובשנת 1915 הוא הרחיב את תורת היחסות הפרטית לתיאור של כוח הכבידה, תורת היחסות הכללית., באמצעות שדה כדי לתאר את הגאומטריה המתעקלת של מרחב-זמן ארבע-ממדי.

בשנים שלאחר יצירת התיאוריה הכללית, מספר רב של פיזיקאים ומתמטיקאים השתתפו בהתלהבות בניסיון לאחד את יחסי הגומלין היסודיים הידועים אז. לאור התפתחויות מאוחרות יותר בתחום זה, מעניינות במיוחד התיאוריות של הרמן וייל משנת 1919, שהציג את הרעיון של שדה מד (אלקטרומגנטי) בתורת שדות קלאסית ושנתיים לאחר מכן, זו של תיאודור קאלוזה., שהרחיב את תורת היחסות הכללית לחמישה ממדים. בהמשך לכיוון אחרון זה, אוסקר קליין הציע ב-1926 כי הממד המרחבי הרביעי יתכרבל למעגל קטן ולא נצפה. בתאוריית קאלוזה-קליין, עקמומיות הכבידה של הכיוון המרחבי הנוסף מתנהגת ככוח נוסף הדומה לאלקטרומגנטיות. מודלים אלה ואחרים של אלקטרומגנטיות וכוח משיכה נמשכו על ידי אלברט איינשטיין בניסיונותיו לתאוריית שדות מאוחדת קלאסית. ב-1930 איינשטיין כבר שקל את מערכת איינשטיין-מקסוול-דיראק [דונגן]. מערכת זו היא (מבחינה היוריסטית) הגבול הסופר-קלאסי [Varadarajan] של האלקטרודינמיקה הקוונטית (הלא מוגדרת היטב מבחינה מתמטית). אפשר להרחיב את המערכת הזו כדי לכלול את הכוחות הגרעיניים החלשים והחזקים כדי להשיג את מערכת איינשטיין-יאנג-מילס-דיראק. הפיזיקאית הצרפתייה מארי-אנטואנט טונלאט פרסמה מאמר בתחילת שנות ה-40 על יחסי הקומוטציה הסטנדרטיים עבור שדה הספין-2 המקוונטי. היא המשיכה בעבודה זו בשיתוף פעולה עם ארווין שרדינגר לאחר מלחמת העולם השנייה. בשנות ה-60 הציע מנדל זאקס תאוריית שדה קווריאנטית בדרך כלל שלא דרשה פנייה ל-renormalization או תאוריית הפרעות. ב-1965 פרסם טונלאט ספר על מצב המחקר על תיאוריות שדה מאוחדות.

התקדמות מודרנית

בשנת 1963, הפיזיקאי האמריקני שלדון גלשואו הציע כי הכוח הגרעיני החלש, החשמל והמגנטיות יכולים לנבוע מתיאוריה מאוחדת חלקית של אלקטרו-חלש. בשנת 1967, עבדוס סלאם הפקיסטני וסטיבן ויינברג האמריקאי שינו באופן עצמאי את התיאוריה של גלשואו על ידי כך שהמסות של חלקיק ה-W וחלקיק ה-Z נוצרו באמצעות שבירת סימטריה ספונטנית עם מנגנון היגס. תיאוריה מאוחדת זו עיצבה את האינטראקציה האלקטרונית החלשה ככוח המתווך על ידי ארבעה חלקיקים: הפוטון עבור ההיבט האלקטרומגנטי, וחלקיק Z נייטרלי, ושני חלקיקי W טעונים עבור ההיבט החלש. כתוצאה משבירת הסימטריה הספונטנית, הכוח החלש הופך לטווח קצר ובוזונים W ו-Z מקבלים מסות של 80.4 ו-91.2 GeV/c2, בהתאמה. התיאוריה שלהם קיבלה לראשונה תמיכה ניסיונית על ידי גילוי של זרמים נייטרליים חלשים בשנת 1973. בשנת 1983, הבוזונים Z ו-W הופקו לראשונה ב-CERN על ידי הצוות של קרלו רוביה. על התובנות שלהם, גלשואו, סלאם ווינברג זכו בפרס נובל לפיזיקה ב-1979. קרלו רוביה וסיימון ואן דר מיר קיבלו את הפרס ב-1984.

לאחר שחרארד ט' הופט הראה שהאינטראקציות האלקטרו-חלשות של גלשאו-ויינברג-סלאם הן עקביות מבחינה מתמטית, תאוריית האלקטרו-חלש הפכה לתבנית לניסיונות נוספים לאיחוד כוחות. בשנת 1974, שלדון גלשואו והווארד ג'ורג'י הציעו לאחד את האינטראקציות החזקות והחלשות אלקטרו-חלשות למודל ג'ורג'י-גלשואו, התיאוריה הגדולה המאוחדת הראשונה, שתהיה לה השפעות נצפות על אנרגיות הרבה מעל 100 GeV.

מאז היו כמה הצעות לתיאוריות מאוחדות גדולות, למשל מודל פאטי-סלאם, אם כי אף אחת מהן לא מקובלת כיום ברחבי העולם. בעיה מרכזית עבור בדיקות ניסוי של תיאוריות כאלה היא סולם האנרגיה המעורב, שהוא הרבה מעבר להישג ידם של המאיצים הנוכחיים. תיאוריות מאוחדות גדולות עושות תחזיות לגבי החוזקות היחסיות של הכוחות החזקים, החלשים והאלקטרומגנטיים, ובשנת 1991 קבע LEP שלתיאוריות סופר-סימטריות יש את היחס הנכון בין צימודים לתיאוריה מאוחדת גדולה של גאורגי-גלשואו.

תיאוריות מאוחדות גדולות רבות (אך לא פאטי-סלאם) חוזות שהפרוטון יכול להתפרק, ואם זה היה נראה, פרטים על תוצרי הריקבון יכולים לתת רמזים להיבטים נוספים של התיאוריה המאוחדת הגדולה. נכון לעכשיו, לא ידוע אם הפרוטון יכול להתפרק, אם כי ניסויים קבעו גבול תחתון של 1035 שנים לכל חייו.

מצב נוכחי

פיזיקאים תאורטיים עדיין לא ניסחו תיאוריה מקובלת ועקבית המשלבת תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים כדי ליצור תיאוריה של הכל. הניסיון לשלב את הגרביטון עם האינטראקציות החזקות והחלשות החשמליות מוביל לקשיים מהותיים והתיאוריה המתקבלת אינה ניתנת לנורמליזציה מחדש. חוסר ההתאמה של שתי התיאוריות נותרה בעיה יוצאת דופן בתחום הפיזיקה.

ראו גם

• תורת המיתרים
• תאוריית M
• התאוריה המאוחדת הגדולה
• תאוריה של הכל

קישורים חיצוניים

• On the History of Unified Field Theories, by Hubert F. M. Goenner
• תאוריית שדה מאוחד, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)