Teoria do campo unificado - Unified field theory

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Na física , uma teoria de campo unificado ( UFT ) é um tipo de teoria de campo que permite que tudo o que normalmente é pensado como forças fundamentais e partículas elementares seja escrito em termos de um par de campos físicos e virtuais. De acordo com as descobertas modernas da física, as forças não são transmitidas diretamente entre objetos em interação, mas, em vez disso, são descritas e interrompidas por entidades intermediárias chamadas campos .

Classicamente, no entanto, uma dualidade dos campos é combinada em um único campo físico. Por mais de um século, a teoria do campo unificado permaneceu uma linha aberta de pesquisa e o termo foi cunhado por Albert Einstein , que tentou unificar sua teoria geral da relatividade com o eletromagnetismo . A " Teoria de Tudo " e a Grande Teoria Unificada estão intimamente relacionadas à teoria do campo unificado, mas diferem por não exigirem que a base da natureza seja campos e, freqüentemente, por tentarem explicar as constantes físicas da natureza . As tentativas anteriores baseadas na física clássica são descritas no artigo sobre as teorias clássicas de campo unificado .

O objetivo de uma teoria de campo unificada levou a um grande progresso para a física teórica futura e o progresso continua.

Introdução

Forças

O modelo padrão de partículas elementares + Gravitão hipotético

Todas as quatro forças fundamentais conhecidas são mediadas por campos, que no modelo padrão da física de partículas resultam da troca de bósons de calibre . Especificamente, as quatro interações fundamentais a serem unificadas são:

A moderna teoria do campo unificado tenta reunir essas quatro forças e a matéria em uma única estrutura.

História

Teoria clássica

A primeira teoria de campo unificada clássica bem-sucedida foi desenvolvida por James Clerk Maxwell . Em 1820, Hans Christian Ørsted descobriu que as correntes elétricas exerciam forças sobre os ímãs , enquanto em 1831, Michael Faraday fez a observação de que campos magnéticos variáveis ​​no tempo poderiam induzir correntes elétricas. Até então, eletricidade e magnetismo eram considerados fenômenos não relacionados. Em 1864, Maxwell publicou seu famoso artigo sobre uma teoria dinâmica do campo eletromagnético . Este foi o primeiro exemplo de uma teoria que foi capaz de englobar teorias de campo previamente separadas (a saber, eletricidade e magnetismo) para fornecer uma teoria unificadora do eletromagnetismo. Em 1905, Albert Einstein usou a constância da velocidade da luz na teoria de Maxwell para unificar nossas noções de espaço e tempo em uma entidade que agora chamamos de espaço - tempo e em 1915 ele expandiu esta teoria da relatividade especial para uma descrição da gravidade, relatividade geral , usando um campo para descrever a geometria curva do espaço-tempo quadridimensional.

Nos anos que se seguiram à criação da teoria geral, um grande número de físicos e matemáticos participou com entusiasmo da tentativa de unificar as então conhecidas interações fundamentais. Tendo em vista os desenvolvimentos posteriores neste domínio, de particular interesse são as teorias de Hermann Weyl de 1919, que introduziu o conceito de um campo de calibre (eletromagnético) em uma teoria de campo clássica e, dois anos depois, a de Theodor Kaluza , que estendeu Relatividade geral em cinco dimensões . Continuando nesta última direção, Oscar Klein propôs em 1926 que a quarta dimensão espacial fosse enrolada em um pequeno círculo não observado. Na teoria de Kaluza-Klein , a curvatura gravitacional da direção extra espacial se comporta como uma força adicional semelhante ao eletromagnetismo. Esses e outros modelos de eletromagnetismo e gravidade foram perseguidos por Albert Einstein em suas tentativas de uma teoria clássica do campo unificado . Em 1930, Einstein já havia considerado o Sistema Einstein-Maxwell-Dirac [Dongen]. Este sistema é (heuristicamente) o limite superclássico [Varadarajan] da (não matematicamente bem definida) eletrodinâmica quântica . Pode-se estender este sistema para incluir as forças nucleares fracas e fortes para obter o Sistema Einstein-Yang-Mills-Dirac. A física francesa Marie-Antoinette Tonnelat publicou um artigo no início dos anos 1940 sobre as relações de comutação padrão para o campo de spin-2 quantizado. Ela continuou este trabalho em colaboração com Erwin Schrödinger após a Segunda Guerra Mundial . Na década de 1960, Mendel Sachs propôs uma teoria de campo geralmente covariante que não exigia o recurso à renormalização ou teoria de perturbação. Em 1965, Tonnelat publicou um livro sobre o estado da pesquisa em teorias de campo unificado.

Progresso moderno

Em 1963, o físico americano Sheldon Glashow propôs que a força nuclear fraca , eletricidade e magnetismo poderiam surgir de uma teoria eletrofraca parcialmente unificada . Em 1967, o paquistanês Abdus Salam e o americano Steven Weinberg revisaram independentemente a teoria de Glashow fazendo com que as massas da partícula W e da partícula Z surgissem por meio da quebra espontânea de simetria com o mecanismo de Higgs . Essa teoria unificada modelou a interação eletrofraca como uma força mediada por quatro partículas: o fóton para o aspecto eletromagnético e uma partícula Z neutra e duas partículas W carregadas para o aspecto fraco. Como resultado da quebra espontânea da simetria, a força fraca torna-se de curto alcance e os bósons W e Z adquirem massas de 80,4 e91,2 GeV / c 2 , respectivamente. A teoria deles recebeu apoio experimental pela primeira vez com a descoberta de correntes neutras fracas em 1973. Em 1983, os bósons Z e W foram produzidos pela primeira vez no CERN pela equipe de Carlo Rubbia . Por suas percepções, Glashow, Salam e Weinberg receberam o Prêmio Nobel de Física em 1979. Carlo Rubbia e Simon van der Meer receberam o Prêmio em 1984.

Depois que Gerardus 't Hooft mostrou que as interações eletrofracas de Glashow-Weinberg-Salam eram matematicamente consistentes, a teoria eletrofraca tornou-se um modelo para novas tentativas de unificação de forças. Em 1974, Sheldon Glashow e Howard Georgi propuseram unificar as interações fortes e eletrofracas no modelo Georgi-Glashow , a primeira Grande Teoria Unificada , que teria efeitos observáveis ​​para energias muito acima de 100 GeV.

Desde então, houve várias propostas para as Teorias da Grande Unificação, por exemplo, o modelo Pati-Salam , embora nenhuma seja atualmente aceita universalmente. Um grande problema para os testes experimentais de tais teorias é a escala de energia envolvida, que está muito além do alcance dos aceleradores atuais . As Teorias da Grande Unificação fazem previsões para as forças relativas das forças forte, fraca e eletromagnética e, em 1991, o LEP determinou que as teorias supersimétricas têm a proporção correta de acoplamentos para uma Teoria da Grande Unificação de Georgi – Glashow.

Muitas Teorias da Grande Unificação (mas não Pati-Salam) prevêem que o próton pode decair , e se isso fosse visto, os detalhes dos produtos da decadência poderiam dar dicas sobre mais aspectos da Teoria da Grande Unificação. No momento, não se sabe se o próton pode decair, embora os experimentos tenham determinado um limite inferior de 10 35 anos para o seu tempo de vida.

Status atual

Os físicos teóricos ainda não formularam uma teoria amplamente aceita e consistente que combine a relatividade geral e a mecânica quântica para formar uma teoria de tudo . Tentar combinar o gráviton com as interações forte e eletrofraca leva a dificuldades fundamentais e a teoria resultante não é renormalizável . A incompatibilidade das duas teorias continua sendo um problema importante no campo da física.

Veja também

Referências

links externos