Единна теория на полето
Единната теория на полето е физическа теория, чиято задача е единно описание на всички елементарни частици (или поне група от частици), извеждане на свойствата на тези частици, законите на тяхното движение, техните взаимни трансформации от определени универсални закони, които описват една единствена "първична материя", различните състояния на която съответстват на различни частици.
Първият пример за Обединената теория на полето е опитът на Х. А. Лоренц да обясни цялата инерция на електрона (т.е. да изведе стойността на неговата маса) въз основа на класическата електродинамика. В този случай самият електрон е действал като "група" от електромагнитното поле, така че законите, управляващи неговото движение, в крайна сметка трябва да бъдат сведени до законите, описващи това поле. Последователното прилагане на тази програма се оказа невъзможно, но самият опит за "помиряване" на дискретното (електронът се разглеждаше като материална точка) и непрекъснатото (електромагнитно поле), опитът за уеднаквяване на описанието на различни фундаментални видове материя беше възобновен по-късно.
Развитието на квантовите концепции показа, че задачата не е да се "помирят" частици и полета, дискретни и непрекъснати. Всякакви "частици" и "полета" имат двойна природа, съчетавайки както свойствата на корпускулите, така и свойствата на вълните. Въпреки това, всеки от видовете "вълни-частици" има свои индивидуални свойства, свои специфични закони на движение. За електрона тези закони са различни, отколкото например за неутрино или фотон. Откриването на всяка нова "елементарна частица" се разглежда в съвременната теория като откриване на нов вид материя. Тъй като бяха открити нови частици (и тъй като всички частици също имат вълнови свойства, може да се каже: нови видове полета), необходимостта да се разбере,защо има толкова много от тях (сега повече от двеста), обяснете техните свойства и накрая дешифрирайте какво означава самата дума "елементарен" по отношение на частица. Отново - вече на по-високо ниво - имаше опити за уеднаквяване на описанието на материята.
Голяма стимулираща роля в това отношение изигра общата теория на относителността на А. Айнщайн. В тази теория както законите на гравитацията, така и уравненията на движението на привлечените маси се получават като следствие от общите закони, които определят гравитационното поле. Общата теория на относителността свързва гравитацията с геометричните свойства на пространство-времето. В някои статии бяха направени опити да се "геометризира" теорията по-широко, т.е. бяха въведени такива хипотези относно геометрията, които биха позволили да се включат електромагнитните полета в разглеждането, както и да се вземат предвид квантовите ефекти. Подобен "геометричен" подход е много привлекателен, но досега не е постигнат значителен напредък в тази посока.
Съвсем нов подход - може да се нарече модел - произлиза от работата на Л. де Бройл върху неутрино теорията на светлината. В тези статии се приема, че фотоните - светлинните кванти - са двойки "слети" неутрино (оттук и името - "теория на синтеза"). Неутриното няма електрически заряд, масата му на покой е нула, а спинът му е 1/2 (в единици константа на Планк). Чрез сливане две неутрино могат да образуват неутрална частица с нулева маса и спин 1, тоест с характеристиките на фотон.
Неутрино теорията на светлината, въпреки че не е лишена от недостатъци, е първата от поредица модели на съставни частици. Сред тях са моделът на E. Fermi и Yang Zhenning, който разглежда p-мезона като свързано състояние на нуклона и антинуклона, моделът на Shoichi Sakata (Япония), M. A. Markov и L. B. Okun, в който са вградени всички силно взаимодействащи частициот три основни частици и т.н.
През последните години особена популярност придоби кварковият модел, предложен за първи път (1964 г.) от М. Гел-Ман и Г. Цвайг. Според този модел всички силно взаимодействащи частици (мезони, бариони, резонансни частици) се състоят от специални "субчастици" с дробни електрически заряди - три вида кварки, както и съответните античастици (антикварки). Този модел, който се оказа много плодотворен за систематиката на елементарните частици и обясни редица фини ефекти, свързани с масите на частиците, техните магнитни моменти и някои други експериментални факти, рязко намалява броя на кандидатите за титлата "наистина елементарни" частици и следователно до известна степен решава проблема с единното описание на материята. Теорията обаче все още е далеч от необходимата яснота, както експериментът трябва да отговори на редица кардинални въпроси. Достатъчно е да се каже, че кварките в свободно състояние все още не са открити и е възможно това да е принципно невъзможно. В този случай кварковият модел ще загуби смисъла си като съставен модел.
Още преди създаването на кварковия модел, У. Хайзенберг (1957) започва да развива теория, основана на универсалното обединено поле, описано от величини, наречени спинори в математиката; следователно теорията беше наречена единна нелинейна спинорна теория. За разлика от теорията за термоядрения синтез, описана по-горе, това фундаментално поле, описващо "материята като цяло", не е пряко свързано с никоя реална частица. Втората съществена разлика между основното уравнение на теорията на Хайзенберг е нелинейността, която отразява взаимодействията на фундаменталното поле със себе си. Математически това се изразява в появата в уравнението на движението на членове, пропорционални не на величината, описваща самото поле, а на различноот единицата за нейната степен. Както в общата теория на относителността, поради тази нелинейност, уравненията на движението на реалните частици трябва да бъдат получени от основното уравнение. Стойностите на масите, електрическите заряди, спиновете и други характеристики на частиците трябва да следват от същото уравнение.
Математическото изследване на уравнението на Хайзенберг е труден проблем, който досега е решен само в доста грубо приближение. Освен това самосъгласуваността на процедурата за елиминиране на безкрайностите в теорията на Хайзенберг все още не е доказана. В същото време количествените резултати, получени в тази теория, изглеждат обнадеждаващи, а общата програма на нелинейната Единна теория на полето продължава да се счита за обещаваща.
Така че Единната теория на полето все още не е изградена. Въпреки това, неразривната връзка между всички частици, универсалната взаимна конвертируемост на частиците и все по-ясно проявените характеристики на единството на материята ни принуждават да търсим начини да преминем от съвременната квантова теория на полето, която е ограничена до установяване на разнообразието от форми на материята, към единна теория, която е призвана да обясни това разнообразие.
Теорията на Айнщайн за гравитацията оказа голямо влияние върху развитието на Единната теория на полето. Каква е основната идея на тази теория?
За да се симулира, например, сферичното гравитационно поле на Земята, са необходими ускорени системи с различни посоки на ускорение в различни точки. Наблюдателите в различни системи, след като са установили връзка помежду си, ще установят, че се движат с ускорена скорост един спрямо друг и по този начин ще установят липсата на истинско гравитационно поле. По този начин истинското гравитационно поле не се свежда просто до въвеждането на ускорена референтна система в обикновеното пространство, или по-точно в пространство-времето на специалната теория на относителността.Айнщайн обаче показа, че ако, въз основа на принципа на еквивалентността, изискваме истинското гравитационно поле да бъде еквивалентно на локални референтни системи, ускорени във всяка точка по съответен начин, тогава във всяка крайна област пространство-времето ще се окаже извито - неевклидово. Това означава, че в триизмерното пространство геометрията като цяло ще бъде неевклидова (сумата от ъглите на триъгълник не е равна на p, съотношението на обиколката към радиуса не е равно на 2p и т.н.) и времето ще тече различно в различни точки. По този начин, според теорията на гравитацията на Айнщайн, истинското гравитационно поле не е нищо повече от проявление на кривината (разликата на геометрията от Евклидова) на четириизмерното пространство-време.
Трябва да се подчертае, че създаването на теорията за гравитацията на Айнщайн става възможно едва след откриването на неевклидовата геометрия от българския математик Н. И. Лобачевски, унгарския математик Я. Бояй и немските математици К. Гаус и Б. Риман.
При липса на гравитация движението на тялото по инерция в пространството-времето на специалната теория на относителността се представя с права линия или, на математически език, екстремна (геодезична) линия. Идеята на Айнщайн, основана на принципа на еквивалентността и формираща основата на теорията за гравитацията, е, че в гравитационното поле всички тела се движат по геодезични линии в пространство-времето, което обаче е извито и следователно геодезичните линии вече не са прави.
Масите, които създават гравитационно поле, огъват пространство-времето. Тела, които се движат в изкривено пространство-време и в този случай се движат по едни и същи геодезични линии, независимо от масата или състава на тялото. Наблюдателят възприема това движение като движение по криви траектории втриизмерно пространство с променлива скорост. Но от самото начало в теорията на Айнщайн беше заложено, че кривината на траекторията, законът за промяна на скоростта са свойствата на пространство-времето, свойствата на геодезичните линии в това пространство-време и следователно ускорението на всички различни тела трябва да бъде еднакво и следователно съотношението на тежката маса към инертната маса [от което зависи ускорението на тяло в дадено гравитационно поле, вижте формула (6)] е еднакво за всички тела и тези маси са неразличими. По този начин гравитационното поле, според Айнщайн, е отклонение на свойствата на пространство-времето от свойствата на плоско (не извито) многообразие на специалната теория на относителността.
Втората важна идея, залегнала в основата на теорията на Айнщайн, е твърдението, че гравитацията, тоест кривината на пространство-времето, се определя не само от масата на веществото, което изгражда тялото, но и от всички видове енергия, присъстващи в системата. Тази идея беше обобщение за случая на теорията на гравитацията на принципа за еквивалентност на масата (m) и енергията (E) на специалната теория на относителността, изразена с формулата E = mс2. Според тази идея гравитацията зависи не само от разпределението на масите в пространството, но и от тяхното движение, от налягането и напреженията в телата, от електромагнитното поле и всички други физически полета.