Teoría del campo unificado

En física, una teoría de campos unificados (UFT) es un tipo de teoría de campos que permite escribir todo lo que normalmente se considera fuerzas fundamentales y partículas elementales. en términos de un par de campos físicos y virtuales. Según los descubrimientos modernos en física, las fuerzas no se transmiten directamente entre objetos que interactúan, sino que son descritas e interpretadas por entidades intermediarias llamadas campos.

Clásicamente, sin embargo, una dualidad de los campos se combina en un solo campo físico. Durante más de un siglo, la teoría del campo unificado ha seguido siendo una línea de investigación abierta. El término fue acuñado por Albert Einstein, quien intentó unificar su teoría general de la relatividad con el electromagnetismo. La "teoría del todo" y la Gran Teoría Unificada están estrechamente relacionadas con la teoría de campos unificados, pero se diferencian por no requerir que la base de la naturaleza sean campos y, a menudo, por intentar explicar las constantes físicas de la naturaleza. Los intentos anteriores basados en la física clásica se describen en el artículo sobre teorías clásicas del campo unificado.

El objetivo de una teoría de campo unificada ha supuesto un gran progreso para la física teórica futura, y el progreso continúa.

Introducción

Fuerzas

Las cuatro fuerzas fundamentales conocidas están mediadas por campos, que en el modelo estándar de física de partículas resultan del intercambio de bosones calibre. En concreto, las cuatro interacciones fundamentales a unificar son:

• Interacción fuerte: la interacción responsable de mantener los quarks juntos para formar hadrones, y sostener neutrones y también protones juntos para formar núcleos atómicos. La partícula de intercambio que media esta fuerza es el gluón.
• Interacción electromagnética: la interacción familiar que actúa sobre partículas cargadas eléctricamente. El fotón es la partícula de intercambio para esta fuerza.
• Interacción débil: una interacción de corto alcance responsable de algunas formas de radioactividad, que actúa en electrones, neutrinos y quarks. Está mediado por los bosones W y Z.
• Interacción gravitacional: una interacción atractiva de largo alcance que actúa sobre Todos partículas. La partícula de intercambio postulada ha sido nombrada el gravitón.

La teoría moderna del campo unificado intenta reunir estas cuatro fuerzas y la materia en un solo marco.

Historia

Teoría clásica

La primera teoría clásica exitosa del campo unificado fue desarrollada por James Clerk Maxwell. En 1820, Hans Christian Ørsted descubrió que las corrientes eléctricas ejercían fuerzas sobre los imanes, mientras que en 1831, Michael Faraday hizo la observación de que los campos magnéticos variables en el tiempo podían inducir corrientes eléctricas. Hasta entonces, se había pensado que la electricidad y el magnetismo eran fenómenos no relacionados. En 1864, Maxwell publicó su famoso artículo sobre la teoría dinámica del campo electromagnético. Este fue el primer ejemplo de una teoría que pudo abarcar teorías de campos previamente separadas (es decir, la electricidad y el magnetismo) para proporcionar una teoría unificadora del electromagnetismo. En 1905, Albert Einstein había utilizado la constancia de la velocidad de la luz en la teoría de Maxwell para unificar nuestras nociones de espacio y tiempo en una entidad que ahora llamamos espaciotiempo y en 1915 amplió esta teoría de la relatividad especial a una descripción de gravedad, relatividad general, uso de un campo para describir la geometría curva del espacio-tiempo de cuatro dimensiones.

En los años posteriores a la creación de la teoría general, un gran número de físicos y matemáticos participaron con entusiasmo en el intento de unificar las interacciones fundamentales entonces conocidas. Dados los desarrollos posteriores en este dominio, son de particular interés las teorías de Hermann Weyl de 1919, quien introdujo el concepto de campo de calibre (electromagnético) en una teoría de campos clásica y, dos años más tarde, la de Theodor Kaluza, quien amplió la Relatividad General. a cinco dimensiones. Siguiendo en esta última dirección, Oscar Klein propuso en 1926 que la cuarta dimensión espacial se enrollara en un círculo pequeño e inadvertido. En la teoría de Kaluza-Klein, la curvatura gravitacional de la dirección extraespacial se comporta como una fuerza adicional similar al electromagnetismo. Estos y otros modelos de electromagnetismo y gravedad fueron perseguidos por Albert Einstein en sus intentos de elaborar una teoría clásica del campo unificado. En 1930 Einstein ya había considerado el Sistema Einstein-Maxwell-Dirac [Dongen]. Este sistema es (heurísticamente) el límite superclásico [Varadarajan] de la electrodinámica cuántica (no matemáticamente bien definida). Se puede ampliar este sistema para incluir las fuerzas nucleares fuertes y débiles para obtener el sistema Einstein-Yang-Mills-Dirac. La física francesa María Antonieta Tonnelat publicó un artículo a principios de la década de 1940 sobre las relaciones de conmutación estándar para el campo cuantificado de spin-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 de campo generalmente covariante que no requería recurrir a la teoría de la renormalización o la perturbación. En 1965, Tonnelat publicó un libro sobre el estado de la investigación sobre teorías de campos unificados.

Progreso moderno

En 1963, el físico estadounidense Sheldon Glashow propuso 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 haciendo que las masas de las partículas W y Z surgieran mediante la ruptura espontánea de la simetría con el mecanismo de Higgs. Esta teoría unificada modeló la interacción electrodébil como una fuerza mediada por cuatro partículas: el fotón para el aspecto electromagnético, una partícula Z neutra y dos partículas W cargadas para el aspecto débil. Como resultado de la ruptura espontánea de la simetría, la fuerza débil se vuelve de corto alcance y los bosones W y Z adquieren masas de 80,4 y 91,2 GeV/c², respectivamente. Su teoría recibió apoyo experimental por primera vez con el descubrimiento de corrientes neutras débiles en 1973. En 1983, el equipo de Carlo Rubbia produjo por primera vez los bosones Z y W en el CERN. Por sus ideas, Glashow, Salam y Weinberg recibieron el Premio Nobel de Física en 1979. Carlo Rubbia y Simon van der Meer recibieron el Premio en 1984.

Después de que Gerardus 't Hooft demostró que las interacciones electrodébiles Glashow-Weinberg-Salam eran matemáticamente consistentes, la teoría electrodébil se convirtió en un modelo para futuros intentos de unificar fuerzas. En 1974, Sheldon Glashow y Howard Georgi propusieron unificar las interacciones fuertes y electrodébiles en el modelo Georgi-Glashow, la primera Gran Teoría Unificada, que tendría efectos observables para energías muy por encima de 100 GeV.

Desde entonces ha habido varias propuestas de Grandes Teorías Unificadas, p.e. el modelo Pati-Salam, aunque actualmente ninguno es universalmente aceptado. Un problema importante para las pruebas experimentales de tales teorías es la escala de energía involucrada, que está mucho más allá del alcance de los aceleradores actuales. Las Grandes Teorías Unificadas hacen predicciones para las fuerzas relativas de las fuerzas fuerte, débil y electromagnética, y en 1991 LEP determinó que las teorías supersimétricas tienen la proporción correcta de acoplamientos para una Gran Teoría Unificada de Georgi-Glashow.

Muchas teorías de la Gran Unificación (pero no Pati-Salam) predicen que el protón puede desintegrarse, y si esto se viera, los detalles de los productos de la desintegración podrían dar pistas sobre más aspectos de la Gran Teoría Unificada. Actualmente se desconoce si el protón puede desintegrarse, aunque los experimentos han determinado un límite inferior de 10³⁵ años de vida.

Estado actual

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. Intentar combinar el gravitón con las interacciones fuertes y electrodébiles conduce a dificultades fundamentales y la teoría resultante no es renormalizable. La incompatibilidad de las dos teorías sigue siendo un problema pendiente en el campo de la física.