نظرية المجال الموحد

تتوسط الحقول جميع القوى الأساسية الأربع المعروفة. في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، تنشأ ثلاث من هذه القوى من تبادل بوزونات القياس . وهذه القوى هي:

• التفاعل القوي : هو التفاعل المسؤول عن تماسك الكواركات لتكوين الهادرونات ، وتماسك النيوترونات والبروتونات لتكوين نوى الذرات . جسيم التبادل الذي يتوسط هذه القوة هو الغلوون .
• التفاعل الكهرومغناطيسي : هو التفاعل المألوف الذي يؤثر على الجسيمات المشحونة كهربائياً. الفوتون هو جسيم التبادل لهذه القوة.
• التفاعل الضعيف : هو تفاعل قصير المدى مسؤول عن بعض أشكال النشاط الإشعاعي ، ويؤثر على الإلكترونات والنيوترينوات والكواركات. ويتوسطه بوزونات W و Z.

وبالمثل، تصف النسبية العامة الجاذبية كنتيجة لحقل موتر القياس، الذي يصف شكل الزمكان :

• التفاعل الجاذبي : هو تفاعل تجاذبي بعيد المدى يؤثر على جميع الجسيمات. في النسخ الكمومية الافتراضية للنسبية العامة، يُطلق على جسيم التبادل المفترض اسم الجرافيتون .

في النموذج القياسي، تُوصف جسيمات "المادة" (الإلكترونات، والكواركات، والنيوترينوات، وما إلى ذلك) بأنها كميات من حقول السبينور . كما أن لحقول بوزونات القياس كميات، مثل الفوتونات في المجال الكهرومغناطيسي.

يحتوي النموذج القياسي على حقل قياسي أساسي فريد ، وهو حقل هيغز ، وتسمى كمياته بوزونات هيغز .

طوّر جيمس كلارك ماكسويل أول نظرية موحدة كلاسيكية ناجحة للمجال . في عام 1820، اكتشف هانز كريستيان أورستد أن التيارات الكهربائية تؤثر بقوى على المغناطيس ، بينما لاحظ مايكل فاراداي في عام 1831 أن المجالات المغناطيسية المتغيرة مع الزمن يمكن أن تحث تيارات كهربائية. حتى ذلك الحين، كان يُنظر إلى الكهرباء والمغناطيسية على أنهما ظاهرتان منفصلتان. في عام 1864، نشر ماكسويل بحثه الشهير حول نظرية ديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي . كان هذا أول مثال على نظرية قادرة على استيعاب نظريات المجال المنفصلة سابقًا (أي الكهرباء والمغناطيسية) لتقديم نظرية موحدة للكهرومغناطيسية. بحلول عام 1905، استخدم ألبرت أينشتاين ثبات سرعة الضوء في نظرية ماكسويل لتوحيد مفاهيمنا عن المكان والزمان في كيان نسميه الآن الزمكان . في عام 1915، قام بتوسيع نظرية النسبية الخاصة هذه لتشمل وصف الجاذبية، النسبية العامة ، باستخدام مجال لوصف الهندسة المنحنية للزمكان رباعي الأبعاد (4D).

في السنوات التي تلت وضع النظرية العامة، شارك عدد كبير من الفيزيائيين والرياضيين بحماس في محاولة توحيد التفاعلات الأساسية المعروفة آنذاك. ^{[ 6 ]} ونظرًا للتطورات اللاحقة في هذا المجال، تبرز نظريات هيرمان فايل عام 1919، الذي قدم مفهوم حقل القياس (الكهرومغناطيسي) في نظرية الحقل الكلاسيكية ^{[ 7 ]} ، وبعد ذلك بعامين، نظرية تيودور كالوزا ، الذي وسّع النسبية العامة إلى خمسة أبعاد . ^{[ 8 ]} واستمرارًا في هذا الاتجاه الأخير، اقترح أوسكار كلاين عام 1926 أن البعد المكاني الرابع يلتف على شكل دائرة صغيرة غير مرئية. في نظرية كالوزا-كلاين ، يتصرف انحناء الجاذبية للاتجاه المكاني الإضافي كقوة إضافية مشابهة للكهرومغناطيسية. وقد سعى ألبرت أينشتاين إلى تطوير هذه النماذج وغيرها من نماذج الكهرومغناطيسية والجاذبية في محاولاته لوضع نظرية حقل موحدة كلاسيكية . بحلول عام ١٩٣٠، كان آينشتاين قد درس بالفعل نظام آينشتاين-ماكسويل-ديراك [دونجن]. يُعد هذا النظام (بشكل تقريبي) الحد الفائق الكلاسيكي [فاراداراجان] للديناميكا الكهربائية الكمومية (غير المُعرَّفة رياضيًا بدقة) . يمكن توسيع هذا النظام ليشمل القوى النووية الضعيفة والقوية للحصول على نظام آينشتاين-يانغ-ميلز-ديراك. نشرت الفيزيائية الفرنسية ماري أنطوانيت تونيلات بحثًا في أوائل الأربعينيات من القرن العشرين حول علاقات التبادل القياسية لحقل اللف المغزلي الكمومي-٢، في محاولة لتوحيد النسبية العامة مع ميكانيكا الكم. واصلت هذا العمل بالتعاون مع إرفين شرودنغر بعد الحرب العالمية الثانية . في الستينيات، اقترح مندل ساكس نظرية حقل متغيرة بشكل عام لا تتطلب اللجوء إلى إعادة التطبيع أو نظرية الاضطراب. في عام 1965، نشر تونيلات كتابًا عن حالة البحث في نظريات المجال الموحد.

في عام 1963، اقترح الفيزيائي الأمريكي شيلدون غلاشو أن القوة النووية الضعيفة والكهرباء والمغناطيسية يمكن أن تنشأ من نظرية كهروضعيفة موحدة جزئيًا . وفي عام 1967، قام كل من الباكستاني عبد السلام والأمريكي ستيفن واينبرغ، بشكل مستقل، بتنقيح نظرية غلاشو، حيث افترضا أن كتل جسيم W وجسيم Z تنشأ من خلال كسر التناظر التلقائي بواسطة آلية هيغز . وقد نمذجت هذه النظرية الموحدة التفاعل الكهروضعيف كقوة تتوسطها أربعة جسيمات: الفوتون للجانب الكهرومغناطيسي، وجسيم Z متعادل، وجسيمان W مشحونان للجانب الضعيف. ونتيجة لكسر التناظر التلقائي، تصبح القوة الضعيفة قصيرة المدى، وتكتسب بوزونات W وZ كتلًا تبلغ 80.4 و 100 كيلوجول.91.2  جيجا إلكترون فولت/ثانية² ^على التوالي. وقد حظيت نظريتهم بدعم تجريبي لأول مرة باكتشاف التيارات المحايدة الضعيفة عام 1973. وفي عام 1983، أنتج فريق كارلو روبيا بوزونات Z وW لأول مرة في مركز سيرن . ونظرًا لإسهاماتهم، مُنح غلاشو وسلام وواينبرغ جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979. وحصل كارلو روبيا وسيمون فان دير مير على الجائزة عام 1984.

بعد أن أثبت جيراردوس هوفت أن تفاعلات غلاشو-واينبرغ-سلام الكهروضعيفة متسقة رياضياً، أصبحت نظرية الكهروضعيفة نموذجاً لمحاولات أخرى لتوحيد القوى. في عام 1974، اقترح شيلدون غلاشو وهوارد جورجي توحيد التفاعلات القوية والكهروضعيفة في نموذج جورجي-غلاشو ، وهو أول نظرية موحدة كبرى ، والتي سيكون لها تأثيرات ملحوظة عند طاقات أعلى بكثير من 100 جيجا إلكترون فولت.

منذ ذلك الحين، ظهرت مقترحات عديدة لنظريات التوحيد الكبرى التي تتضمن مجموعات توحيد أكبر فأكبر. ورغم أن هذه النظريات متسقة ذاتيًا، إلا أن أيًا منها لم يقدم حلًا للمشاكل العالقة في علم الكونيات، مثل مشكلة عدم تناظر الباريونات أو الكتلة المفقودة التي تُعزى الآن إلى المادة المظلمة . تتطلب الاختبارات التجريبية لهذه النظريات مستوى طاقة يتجاوز بكثير قدرة المسرعات الحالية ، لذا لا يمكن لأي دليل تجريبي خارج نطاق علم الكونيات أن يوجه النظرية. ^{[ 9 ] : 310}

تُقدّم نظريات التوحيد الكبرى تنبؤاتٍ حول القوة النسبية للقوى النووية القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية، وفي عام 1991، أثبت مصادم الإلكترونات والبوزيترونات الكبير (LEP) أن النظريات الفائقة التناظر تمتلك النسبة الصحيحة للثوابت اللازمة لنظرية التوحيد الكبرى لجورجي-غلاشو. تتنبأ العديد من نظريات التوحيد الكبرى (باستثناء باتي-سلام ) بإمكانية تحلل البروتون ، وإذا ما تأكد ذلك، فإن تفاصيل نواتج التحلل قد تُقدّم دلائل على جوانب أخرى من نظرية التوحيد الكبرى. ولا يُعرف حاليًا ما إذا كان البروتون يتحلل، على الرغم من أن التجارب قد حددت حدًا أدنى لعمره يبلغ 10 ^{^35} سنة.

لم يتوصل الفيزيائيون النظريون بعد إلى صياغة نظرية متسقة ومقبولة على نطاق واسع تجمع بين النسبية العامة وميكانيكا الكم لتشكيل نظرية شاملة . إن محاولة دمج الجرافيتون مع التفاعلات القوية والكهرومغناطيسية الضعيفة تُفضي إلى صعوبات جوهرية، والنظرية الناتجة غير قابلة لإعادة التطبيع . ولا يزال عدم توافق النظريتين يُمثل مشكلة عويصة في مجال الفيزياء.