С концептуальной точки зрения важно объяснить как можно больше явлений как можно меньшим числом гипотез. Именно по этой причине ведутся поиски единых теорий, однако это не означает, что подобные теории существуют. Эйнштейн пытался объединить свою общую теорию тяготения и электромагнетизм, однако ему, как и его последователям, это не удалось. Говоря о поле, мы имеем в виду функцию, описывающую некоторую величину, например силу тяжести, в любой точке пространства в любой момент времени.
Фундаментальные взаимодействия
Существует четыре фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Два первых наблюдаются на любом расстоянии между телами и частицами, сильное и слабое взаимодействие – лишь на микро-уровне, когда расстояния между частицами сопоставимы с размером атомного ядра.
1.Электромагнитное взаимодействие стало первым взаимодействием, описанным с помощью квантовой теории поля, которая одновременно была квантовой и релятивистской. В 1940-е годы была создана квантовая электродинамика, в которой взаимодействие между двумя частицами представлено как результат обмена фотонами. Примерно 20 лет спустя настала очередь слабого взаимодействия, которое было объединено с электромагнитным. Теперь эти два взаимодействия объединены общим названием электрослабого взаимодействия. В этой единой теории взаимодействие осуществляется посредством трех новых частиц: ИЛ, ИЛ и Z0 . Открытие этих частиц в 1980-е годы подтвердило правильность теории электрослабого взаимодействия.
2. Квантовая теория поля, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой. Ее корректность была подтверждена множеством экспериментов начиная с 1970-х годов. В сильном взаимодействии участвуют кварки и частицы, состоящие из кварков, например протоны и нейтроны, которые обмениваются между собой другими частицами – глюонами. Было предпринято несколько попыток объединить квантовую хромодинамику и теорию электрослабого взаимодействия, однако поскольку в этих теориях рассматриваются колоссальные энергии, ни одну из них пока не удалось подтвердить экспериментально.
3. Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех фундаментальных взаимодействий, поэтому при изучении элементарных частиц им пренебрегают. Однако это взаимодействие наблюдается повсеместно и проявляется в виде сил притяжения на любом расстоянии. По этой причине гравитационное взаимодействие имеет огромное значение в космическом масштабе, хотя создать убедительную квантовую теорию тяготения до сих пор не удалось. Наиболее многообещающими в этом отношении являются теории суперструн, впрочем, до создания окончательной теории еще очень далеко.
Можно сказать, что целью поисков Эйнштейна было уравнение, в котором гравитация и электромагнетизм описывались бы одной функцией, то есть одним полем, как два аспекта одного явления.
В 1950-е годы Гейзенберг предпринял попытку унифицировать взаимодействия между элементарными частицами. Он исключил из рассмотрения гравитацию, поскольку силой тяготения между элементарными частицами по сравнению с тремя другими взаимодействиями можно пренебречь. Помимо электромагнитного взаимодействия, существует сильное взаимодействие, которое играет роль клея, соединяющего протоны и нейтроны в ядрах, и слабое взаимодействие, являющееся причиной бета-распада. Толчком к исследованиям в этом направлении для Гейзенберга стали последние результаты наблюдений космических лучей, предсказанные им за много лет до этого. При столкновении космических лучей с атомами атмосферы образуется множество элементарных частиц различных типов, которые участвуют в трех упомянутых выше фундаментальных взаимодействиях.
Гейзенберг взял за основу общие рассуждения, касающиеся симметрии в квантовой и релятивистской теории, чтобы обобщить три фундаментальных взаимодействия и описать их одним полем. Он обратился к Паули, однако их сотрудничество продолжалось лишь несколько лет, поскольку первоначальный интерес Паули уступил место растущему скептицизму, и в конечном итоге он прекратил работу над проектом. Спустя некоторое время Гейзенберг также вынужден был оставить работу над этой теорией. Мы знаем, что в то время были неизвестны многие свойства частиц, которые позднее сыграли важнейшую роль в попытках создать новые единые теории.
