La teoría del campo unificado , UFT ( eng. teoría del campo unificado , UFT ) [a] es un tipo de teoría del campo que le permite escribir todo lo que generalmente se considera fuerzas fundamentales y partículas elementales en términos de campos físicos y virtuales. De acuerdo con los conceptos modernos, las fuerzas no se transfieren directamente entre los objetos que interactúan, sino a través de objetos intermedios llamados campos .
La UTP apunta a una descripción unificada de todos los fenómenos físicos conocidos sobre la base de un solo campo primario . Históricamente, ha habido ETP tanto clásicos como cuánticos, uno de los ejemplos modernos de estos últimos es la teoría de cuerdas [1] .
Desde el punto de vista de la teoría clásica, la dualidad de campos se combina en un solo campo físico [2] . La teoría del campo unificado ha sido un área de actualidad de investigación durante más de un siglo. El término fue introducido por Albert Einstein [3] , quien trató de combinar la teoría general de la relatividad que formuló con el electromagnetismo [4] . Einstein restauró el ideal clásico del mundo de Spinoza , ya que era la base de su visión del mundo, en la teoría de la relatividad y extendió el principio de la relatividad encontrado en el siglo XVII a nuevos fenómenos descubiertos en el siglo XIX. Einstein excluyó los movimientos acelerados absolutos de la imagen del mundo, pero no fue más allá [5] .
Las grandes teorías unificadas [6] están estrechamente relacionadas con la teoría del campo unificado, pero difieren en que no requieren que la naturaleza se base en campos y, a menudo, tratan de explicar las constantes físicas de la naturaleza. Los intentos anteriores basados en la física clásica se describen en el artículo sobre las teorías clásicas del campo unificado . El concepto de una teoría del campo unificado ha llevado a un progreso significativo en la física teórica .
Las cuatro fuerzas fundamentales conocidas son transmitidas por campos que, en el modelo estándar de física de partículas, surgen como resultado del intercambio de bosones de calibre . En particular, cuatro interacciones fundamentales están sujetas a unificación:
La teoría moderna del campo unificado intenta combinar estas cuatro fuerzas y la materia en una sola estructura.
La primera teoría clásica exitosa del campo unificado fue desarrollada por James Clerk Maxwell . En 1820 Hans Christian Oersted descubrió que las corrientes eléctricas actúan sobre los imanes , y en 1831 Michael Faraday notó que los campos magnéticos variables en el tiempo podían inducir corrientes eléctricas. Antes de eso, la electricidad y el magnetismo eran considerados fenómenos que no estaban relacionados entre sí. En 1864, Maxwell publicó su famoso trabajo sobre la teoría dinámica del campo electromagnético. Fue el primer ejemplo de una teoría que pudo abarcar diferentes teorías de campo, a saber, la electricidad y el magnetismo, y combinarlas en una teoría general del electromagnetismo. En 1905, Albert Einstein usó la constancia de la velocidad de la luz en la teoría de Maxwell para unificar el concepto de espacio y tiempo en una sola entidad que ahora llamamos espacio-tiempo, y en 1915 amplió esta teoría especial de la relatividad para describir la gravedad, la teoría general de la relatividad . . ,
En los años transcurridos desde la creación de la teoría general, un gran número de físicos y matemáticos participaron con entusiasmo en un intento de unificar las interacciones fundamentales conocidas en ese momento. De particular interés son los trabajos de Hermann Weyl en 1919, quien introdujo el concepto de un campo gauge en la teoría clásica de campos [7] ; la teoría de Theodor Kaluza quien extendió la teoría general de la relatividad a cinco dimensiones [8] . En la teoría de Kaluza-Klein, la curvatura gravitatoria de la dimensión espacial extra se comporta como una fuerza extra, similar al electromagnetismo. Estos y otros modelos de electromagnetismo y gravedad fueron utilizados por Albert Einstein en sus intentos de crear una teoría clásica del campo unificado. En 1930, Einstein ya había considerado el sistema Einstein-Maxwell-Dirac. Este sistema es el límite de la electrodinámica cuántica (matemáticamente inexactamente definida) . Cuando se incluyen en este sistema las interacciones nucleares débil y fuerte, se obtiene el sistema Einstein -Yang-Mills- Dirac. La física francesa Marie Antoinette Tonnelat publicó un artículo a principios de la década de 1940 sobre las relaciones de conmutación estándar para un campo cuantificado de espín 2. Continuó este trabajo en colaboración con Erwin Schrödinger después de la Segunda Guerra Mundial . En la década de 1960, Mendel Sachs propuso una teoría general de campos covariantes que no requería recurrir a renormalizaciones o teoría de perturbaciones .
En 1968, Wolfgang Pauli dio una conferencia en la Universidad de Columbia en la que describió la teoría del campo unificado de Heisenberg-Pauli . Niels Bohr estaba en la audiencia . Después de la conferencia, se puso de pie y dijo: “Nosotros en la galería estamos convencidos de que su teoría es una locura. Sin embargo, no estábamos de acuerdo sobre si estaba lo suficientemente loca". Este comentario provocó una acalorada discusión en la que Pauli afirmó que su teoría era lo suficientemente loca como para ser cierta, mientras que otros dijeron que carecía de locura. Se demostró además que Bohr tenía razón: la teoría presentada por Pauli estaba equivocada [9] .
En 1963, el físico estadounidense Sheldon Glashow sugirió que la fuerza nuclear débil , la electricidad y el magnetismo podrían surgir de una teoría electrodébil parcialmente unificada . En 1967, el paquistaní Abdus Salam y el estadounidense Steven Weinberg revisaron de forma independiente la teoría de Glashow, estableciendo que las masas de las partículas W y Z surgen debido a la ruptura espontánea de la simetría con el mecanismo de Higgs . Esta teoría unificada modeló la fuerza electrodébil como una fuerza mediada por cuatro partículas: un fotón para el aspecto electromagnético, una partícula neutra Z y dos partículas cargadas W para el aspecto débil. Como resultado de la ruptura espontánea de la simetría, la interacción débil se vuelve de corto alcance y los bosones W y Z adquieren masas de 80,4 y 91,2 GeV/c 2 , respectivamente. Su teoría fue confirmada experimentalmente por primera vez por el descubrimiento de corrientes neutras débiles en 1973. En 1983, los bosones Z y W fueron obtenidos por primera vez en el CERN por el equipo de Carlo Rubbia . Glashow, Salam y Weinberg recibieron el Premio Nobel de Física de 1979 por sus descubrimientos. Carlo Rubbia y Simon van der Meer recibieron este premio en 1984.
Después de que Gerardus 't Hooft demostrara que las interacciones electrodébiles Glashow-Weinberg-Salam eran matemáticamente consistentes, la teoría de la interacción electrodébil se convirtió en la plantilla para futuros intentos de unificación de fuerzas. En 1974, Sheldon Glashow y Howard Georgi propusieron unificar las fuerzas fuerte y electrodébil en el modelo Georgie-Glashow, la primera teoría de la Gran Unificación que tendría efectos observables a energías muy por encima de 100 GeV.
Desde entonces, ha habido varias propuestas para la Gran Teoría Unificada, como el modelo de Pati-Salam, aunque actualmente ninguna de ellas es generalmente aceptada. El principal problema en las pruebas experimentales de tales teorías es la escala de energía, que está mucho más allá del alcance de los aceleradores modernos . Las Grandes Teorías Unificadas predicen las fuerzas relativas de las fuerzas fuerte, débil y electromagnética, y en 1991 LEP determinó que las teorías supersimétricas tenían la relación de fuerza correcta para la Gran Teoría Unificada de Georgie-Glashow.
Muchas Gran Teorías Unificadas (pero no Pati Salam) predicen que el protón puede decaer , y si esto se descubriera, los detalles de los productos de desintegración podrían dar pistas sobre otros aspectos de la Gran Teoría Unificada. Actualmente se desconoce si el protón puede decaer, aunque los experimentos han establecido un límite inferior a su vida útil de 1035 años.
Los físicos teóricos aún no han formulado una teoría consistente y ampliamente aceptada que combine la relatividad general y la mecánica cuántica para formar una teoría del todo . El intento de unificar el gravitón con interacciones fuertes y electrodébiles conduce a dificultades fundamentales y la teoría resultante no se puede volver a normalizar . La incompatibilidad de las dos teorías sigue siendo uno de los problemas no resueltos de la física.