Теории великого объединения

Теории великого объединения – общее название для попыток построения единой теории трех из четырех фундаментальных взаимодействий: слабого, электромагнитного и сильного. Теоретические построения, которые включают еще и четвертую взаимодействие – гравитационное – называют другими терминами: единой теорией поля или теорией всего.
Попытки построения единой теории аргументированные верой в то, что природа по своей сути едина, и четыре отдельных первопричины для нее слишком много. Если в привычных для людей условиях четыре типа фундаментальных взаимодействий проявляются по разному, то, наверное, существуют условия, при которых различить взаимодействия становится невозможно – все они являются частными случаями одной, пока еще неизвестной, гипотетической взаимодействия.
Общим недостатком всех теорий великого объединения и теории всего является то, что условия, при которых стирается разница между известными типами взаеомдий, весьма далекие от условий реального физического эксперимента. Например, относительно теорий великого объединения предполагается, что различие между отдельными типами известных взаимодействия начинает стираться при энергиях частиц свыше 14 октября ГэВ, что намного превышает энергии, достижимые в крупнейших ускорителях. Недавно построенный Большой адронный коллайдер позволяет достичь энергии 10 апреля ГэВ.
Невозможность предсказать результат, который бы можно было проверить экспериментально на современном этапе развития физического оборудования, создает ситуацию, когда теории великого объединения является интересной математической фантазией. Интерес к этим фундаментальным проблемам физики, вероятно, всегда будет оставаться большим, поскольку интерес друг с основным мотивов деятельности человечества, одновременно физика целом является наукой прежде всего естественной, то есть она пытается найти объяснение тем фактам и явлениям, которые можно наблюдать.
Включение в общую схему гравитационного взаимодействия гораздо сложнее задача. Для ее решения нужно прежде всего построить последовательную квантовую теорию гравитации. До сих пор физики не сумели этого сделать. Проблема наталкивается на принципиальные сложности, прежде всего из-за невозможности перенормировки квантовой теории гравитационного поля в ее современной интерпретации. Поэтому теории великого объединения пробуют найти единый подход к трем других типов взаимодействий, рассматривая это как этап в построении теории всего.
В середине 19 века была построена теория электромагнетизма – классическая электродинамика. Она нашла связь и объединила электричество и магнетизм. К тому времени была известна только одна другая фундаментальное взаимодействие – гравитация. Объединение классической электродинамике с теорией гравитации осуществил Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности.
Однако, вскоре, были открыты нуклоны, и стало ясно, что взаимодействие нуклонов между собой, а также с электронами и электромагниты полем, не описывается известными взаимодействиями – она совсем другая. Более того, процессы в атомном ядре и при столкновении нуклонов иногда происходят быстро, что свидетельствует о большой взаимодействие, а иногда, медленно, что свидетельствует об очень малую взаимодействие. Поэтому для описания ядерных процессов пришлось ввести два различных типа фундаментального взаимодействия, которые назвали просто – сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.
Физика развилась также в другом направлении – стало ясно, что движение частиц в микромире не описывается классической механикой. Была построена квантовая механика, а затем квантовая электродинамика. Однако, построение квантовой теории гравитации заставила себя ждать.
В 1960-х была построена квантовая хромодинамика – теория сильного взаимодействия. В 1979 году нобелевской премией по физике была отмечена работа Шелдона Ли Глэшоу, Абдус Салама и Стивена Вайнберга над объединенной теорией слабых и электромагнитных взаимодействий, электрослабого взаимодействия, между элементарными частицами, в том числе предсказание слабых нейтральных токов, которые вскоре были выявлены экспериментально.
Таким образом, перед теориями великого объединения стоит задача создания математической построения, которая объединяла бы сильную и электрослабого взаимодействия. При малых энергиях, в условиях, близких к условиям реального физического эксперимента, эта объединенная взаимодействие должно иметь два разных проявления, которые отвечали бы известным взаимодействиям, а при высоких энергиях различия между этими двумя проявлениями должны стираться.
По состоянию на 2010 в физике элементарных частиц принятой является так называемая Стандартная модель, которая, однако, имеет еще некоторые нерешенные вопросы, в частности проблему нейтринных осцилляций. Таким образом, общим требованием к теориям великого объединения является редуцирование Стандартной модели при малых энергиях.
Теории великого объединения строятся на привычном в квантовой теории поля подходе: постулируется существование определенного поля с определенной структурой, записывается функция Лагранжа для этого поля, вариация которой дает уравнение движения. Такой подход успешно работает в квантовой электродинамике и квантовой хромодинамике.
Постулировано поле – сложный математический объект, который должен удовлетворять определенным физическим принципам, например, принципа общей ковариантности, то есть полученные ривння движения должны быть одинаковыми во всех системах отсчета. Кроме того, постулировано поле должно иметь определенную внутреннюю симметрию, быть инвариантным относительно калибровочных преобразований. Такие математические объекты изучаются теорией групп. Для построения теорий великого объединения используются группы SU (n), т.е. группы матриц с единичными определителями.
Из квантовой хромодинамики известно, что сильное взаимодействие описывается с использованием группы SU (3), теория электрослабого взаимодействия оперирует группой SU (2). Поэтому группа, которую использует теория великого объединения, должна при малых энергиях распадаться на эти две группы, т.е. редуцироваться к SU (3) x SU (2). Наименьшей из таких групп является группа SU (5), однако это не единственный вариант, потому теорий великого объединения много. Выбор между ними должен осуществляться на основе экспериментальной проверки, сложно.