Teoria del camp unificat

En física, la teoria de camp unificat és una teoria de camps que tracta d'unificar —introduint principis comuns— dos teories de camp prèviament considerades diferents. Açò implicaria que seria possible descriure les interaccions fonamentals entre les partícules elementals en térmens de solament un camp.

Introducció

En física, les forces entre els objectes poden descriure's pels efectes dels "camps". Les teories actuals consideren que per a distàncies subatòmiques, el comportament quàntic dels camps diferix del dels camps clàssics ya que són descrits per la mecànica quàntica. Alternativament, usant la dualitat ona-partícula de la mecànica quàntica, els camps poden descriure's en térmens d'intercanvi de partícules que transferixen el moment i l'energia entre els objectes. D'esta forma, els objectes interaccionen quan emeten i absorbixen les partícules intercanviades. La base fonamental de la teoria unificada de camps és que les quatre forces fonamentals (avall) de la mateixa manera que la matèria són simplement manifestacions diferents d'un únic camp fonamental.

La teoria unificada de camps tracta de reconciliar les quatre forces fonamentals (o camps) de la naturalea (del més fort al més dèbil):

• Força nuclear forta: força responsable de l'unió dels quarks per a formar neutrons i protones, i de l'unió d'estos per a formar el núcleu atòmic. Les partícules d'intercanvi que medien esta força són els gluones.
• Força nuclear dèbil: responsable de la radioactividad.És una interacció repulsiva de curt alcanç que actua sobre els electrons, neutrinos i els quarks. Els bosones W i Z són els que medien en esta força.
• Força electromagnètica: Actua sobre les partícules carregades eléctricament. El fotó és la partícula d'intercanvi per a esta força.
• Força gravitacional: igualment experimentada, és una força atractiva de llarc alcanç que actua sobre totes les partícules en massa. Es postula que hi ha una partícula d'intercanvi que s'ha denominat gravitón, encara que encara no s'ha pogut comprovar. Est és, entre uns atres, un dels punts clau a desvelar en el proyecte LHC.

Història

El terme teoria de camp unificat va ser introduït per Einstein quan va intentar tractar unificadamente la gravetat i l'electromagnetisme per mig d'una teoria de camps unificada. Prèviament Maxwell havia conseguit en 1864 lo que denominaríem primera teoria unificada, en formular una teoria de camp que integrava l'electricitat i el magnetisme.

La busca d'Einstein d'una teoria de camp unificat per al camp electromagnètic i el camp gravitatorio, generalisant el seu teoria general de la relativitat va ser infructuosa. Un atre intent interessant d'unificar estes dos teories va ser la teoria de Kaluza-Klein alguna de les idees de la qual varen inspirar alguns aspectes de la teoria de cordes moderna, un ambiciós intent de formular una teoria del tot.

Des dels primers intents d'Einstein i Kaluza, un atre tipo d'interaccions diferents de la gravetat i electromagnetisme, com l'interacció dèbil i l'interacció forta han segut objecte de diversos intents d'unificació, aixina cap a finals dels anys 1960 es va formular el model electrodébil que de fet és una teoria de camp unificat del electromagnetisme i l'interacció dèbil. Després, tenint una bona descripció de l'interacció forta pel desenroll de la Cromodinámica quàntica (proposta en els anys 70 per David Politzer, Frank Wilczek i David Gross ), li la va unificar en el model electrodébil donant lloc al modele estàndar. No obstant, seguix sent un repte afegir la gravetat al model estàndar formulant una teoria del tot, capaç d'explicar la naturalea i el comportament de tota la matèria.

La següent llista arreplega les teories de camp unificat segons una cronologia històrica:

• Electricitat + magnetisme = Electromagnetisme (realisada per James Clerk Maxwell en els anys 1860).
• Electromagnetisme + interacció dèbil = Interacció electrodébil (realisada per Glashow, Salam i Weinberg en els anys 1960).
• Interacció electrodébil + interacció forta = Modele estàndar (Teoria quàntica molt respalada experimentalment)
• Modele estàndar + relativitat general = Teoria de camps unificada o "Teoria del tot" (encara per desenrollar)

Teoria de camp unificat de Maxwell

Històricament, la primera teoria unificada de camps va ser desenrollada per James Clerk Maxwell. En 1831, Michael Faraday va observar que la variació en el temps dels camps magnètics podia induir corrents elèctriques. Fins a llavors, l'electricitat i el magnetisme es consideraven com a fenomens no relacionats entre sí. En 1864, Maxwell va publicar la seua famosa teoria de camps electromagnètics. Est va ser el primer eixemple d'una teoria que podia unificar teories anteriors (electricitat i magnetisme) donant lloc a l'electromagnetisme. No obstant, hui se sap que l'electrodinàmica clàssica desenrollada per Maxwell falla a nivells quàntics. En els 1940s es va alcançar una teoria quàntica completa per a descriure la força electromagnètica, coneguda com electrodinàmica quàntica (QED). Esta teoria representa les interaccions de les partícules carregades per mig de fotons, les partícules que transmeten l'interacció. Esta teoria es basa en la simetria de l'espai-temps d'un camp anomenada simetria gauge (realment simetria de fase). La teoria va tindre tant èxit que ràpidament es va adoptar el principi de la simetria gauge contínua per a totes les forces.

Teoria de camp unificat de Glashow-Weinberg-Salam

AP En 1967, Els nortamericans Sheldon Glashow, Steven Weinberg i l'pakistaní Abdus Salam varen propondre de manera independent una teoria unificadora de l'electromagnetisme i la força nuclear dèbil. Varen demostrar que el camp gauge de l'interacció dèbil era idèntic en la seua estructura al del camp electromagnètic. Esta teoria va rebre soport experimental pel descobriment en 1983, de tals bosones W i Z en el CERN per l'equip de Carlo Rubbia. Pels seus descobriments, Glashow, Weinberg i Salam varen compartir el Premi Nobel de Física en 1979. Carlo Rubbia i Simon van der Meer varen rebre el mateix premi en 1984.

Teories de Gran Unificació

Artícul principal → Teoria de la gran unificació.

El següent pas cap a l'unificació de les forces fonamentals de la naturalea va ser l'incloure l'interacció forta en les forces electrodébiles en una teoria anomenada Gran Teoria Unificada. Una teoria quàntica de l'interacció forta va ser desenrollada en els 1970s baixe el nom de Cromodinámica quàntica.

L'interacció forta actua entre quarks per mig de l'intercanvi de partícules anomenades gluones. Hi ha huit tipos de gluones, cada u transportant una càrrega de color i una càrrega de anti-color. Basant-se en esta teoria, Sheldon Glashow i Howard Georgi varen propondre la primera gran teoria unificada en 1974, que s'aplicava a energies per damunt de 1000 GeV. Des de llavors hi ha hagut noves propostes, encara que cap està acceptada en l'actualitat de manera universal. El major problema d'estes teories és l'enorme escala d'energies que requerixen les proves experimentals, que estan fòra de l'alcanç dels acceleradors actuals.

No obstant, hi ha algunes prediccions que s'han fet per a processos de baixes energies que no requerixen els acceleradors. Una d'estes prediccions és que el protó és inestable i pot decaure. Pel moment, es desconeix si el protó decau, encara que els experiments han determinat un llímit inferior per a la seua vida mija de $10^{35}$ anys. Per això, pel moment és incert el que esta teoria siga una descripció adequada de la matèria.

Esforços teòrics

Artícul principal → teoria del tot.

La gravetat està encara per ser inclosa en la teoria del tot. Els físics teòrics han segut incapaços fins ara de formular una teoria consistent que combine la relativitat general i la mecànica quàntica. Les dos teories han mostrat ser incompatibles i la cuantización de la gravetat continua sent un sério problema en el camp de la física. En els anys recents, la busca d'una teoria de camp unificada s'ha focalizado en la teoria M (en orige en la teoria de cordes i tenint com a màxim exponent a Edward Witten) i en la gravetat quàntica de bucles (desenrollada en 1986 per Abhay Ashtekar).

Vore també

• Teoria del tot