Почему мы говорим, что в Стандартной модели четыре фундаментальные силы (если включить гравитацию)? [дубликат]

Это одна из моих любимых тем, поэтому я добавлю некоторые разъяснения о том, что мы на самом деле имеем в виду, когда говорим, что ЭМ и слабые силы «объединены».

В Стандартной модели физики элементарных частиц, которая является частью основы нашего современного понимания природы, есть три различных силовых поля (физики называют их калибровочными полями ).

• Один соответствует сильному взаимодействию , связывающему кварки в протоны и нейтроны. В технической литературе его иногда обозначают$SU(3)$.
• Два других поля датчика относятся к вашему вопросу. В технической литературе эти два калибровочных поля описываются загадочными символами$SU(2)_L$и$U(1)_Y$, соответственно, и я не буду пытаться придумывать для них лучшие имена здесь. Важным моментом является то, что знакомая нам ЭМ-сила представляет собой особую смесь$SU(2)_L$и$U(1)_Y$, а остаток (другая смесь) — это то, что мы называем слабым взаимодействием .

В Стандартной модели каждое из этих трех силовых полей, а именно$SU(3)$,$SU(2)_L$, и$U(1)_Y$, пары материи с другой силой, чем другие. Вот почему они считаются тремя отдельными областями, на самом деле не объединенными в самом строгом смысле. Однако, как указано в более кратком ответе Аарона Стивенса, при достаточно низких температурах (которые мы сегодня назвали бы «нормальными» температурами) знаменитое поле Хиггса вызывает$SU(2)_L$и$U(1)_Y$Калибровочные поля смешиваются друг с другом, что приводит к двум различным смесям, которые мы воспринимаем как дальнодействующее электромагнитное взаимодействие и очень короткодействующее слабое взаимодействие.

Смысл этого длинного монолога в том, чтобы прояснить, что на самом деле означает «унифицированный» в данном контексте. ЭМ и слабые взаимодействия — это две разные смеси более фундаментального$SU(2)_L$и$U(1)_Y$поля. Таким образом , в нашем нынешнем понимании современной физики все еще существуют четыре фундаментальных силовых поля : сильное взаимодействие$SU(3)$, тот, что называется$SU(2)_L$, тот, что называется$U(1)_Y$, и гравитация. (Стандартная модель физики элементарных частиц не включает гравитацию.)

С другой стороны, у нас есть косвенные теоретические основания подозревать, что$SU(3)$,$SU(2)_L$, и$U(1)_Y$действительно объединены в строгом смысле как разные части единого поля с единой силой связи с материей. Мы пока точно не знаем, как теоретически реализовать эту строгую форму объединения. Даже если идея верна, эта более высокая симметрия будет очевидна только при еще более высоких температурах, чем те, которые нам понадобятся для «разделения».$SU(2)_L$и$U(1)_Y$.

Я бы сказал, что это из-за истории, поскольку каждая из четырех сил была открыта как отдельная сила.

Я также скажу, что это связано с тем, как мы переживаем их сегодня. В настоящее время это четыре отдельные силы. Они объединяются при очень больших энергиях/температурах, которые существовали вскоре после Большого взрыва. Но как только Вселенная остыла, электрослабое взаимодействие разделилось на два взаимодействия.

Наведение курсора мыши: «Из этих четырех сил есть одна, которую мы на самом деле не понимаем». «Это слабое взаимодействие или сильное…» «Это гравитация».

Вышеприведенный комикс xkcd доступен по лицензии Creative Commons.

Имейте в виду, что утверждение о четырех фундаментальных силах — это, по сути, эвристический инструмент, помогающий понять сложную реальность. Один из многих разумных способов оперативного определения силы для целей подсчета количества фундаментальных сил в описаниях науки на уровне неспециалиста состоит в том, чтобы определить силу как такую, которая считается отдельной, если она связана с определенным типом калибровочного бозона, который связывает к определенному виду заряда.

Через Википедию

Hence, we have: (1) the electromagnetic force associated with photons which couple to electric charge, (2) the weak force associated with the massive W and Z bosons which couple to weak isospin, and (3) the strong force associated with gluons which couple to color charge. And, many theories of quantum gravity associate (4) gravity with a hypothetical gauge boson known as a graviton which couples to a charge equal to a particle's total mass-energy.

Even though one can talk about an electroweak interaction having a common source in theory, phenomenologically, it is easy to distinguish between the strong, long range, photon mediated component of that interaction, and the weak, short range W and Z boson mediated component of that interaction.

Это определение, например, естественно рассматривает электрическую силу и магнетизм как единое целое (поскольку и то, и другое включает взаимодействие электрически заряженных частиц через фотоны), в то время как силы, которые обычно рассматриваются как отдельные, рассматриваются как отдельные.

Это определение также работает для слабого взаимодействия, потому что, хотя оно имеет три типа калибровочных бозонов (W+, W- и Z), все три связаны с одним и тем же «зарядом» (то есть слабым изоспином) с одной и той же константой связи, а также похожи тем, что все они массивны и недолговечны.

Действительно, для большинства людей труднее всего объяснить, почему W-бозоны являются калибровочными бозонами, взаимодействия которых считаются силами, несмотря на тот факт, что эти взаимодействия очень отличаются от парадигмы безмассовых взаимодействий, опосредованных фотоном/глюоном/гравитоном, которые гораздо больше похожи на то, о чем мы интуитивно думаем как о силах (с учетом того, что глюоны и гравитоны, в отличие от фотонов, взаимодействуют друг с другом, а также с соответствующим образом заряженными фермионами). Но ваш вопрос указывает на то, что вы не боретесь с этим вопросом, и математически слабое взаимодействие очень похоже на другие силы Стандартной модели.

Другие вопросы и ответы касались того, почему бозон Хиггса не является калибровочным бозоном, а поле Хиггса не считается силой, хотя это фундаментальный бозон и фундаментальное поле Стандартной модели (которое соединяется пропорционально масса покоя фундаментальной частицы).

Когда-нибудь может быть больше или меньше четырех фундаментальных сил

Когда-нибудь мы могли бы открыть дополнительные фундаментальные силы, но пока не нашли убедительных доказательств их существования. Многие теории, выходящие за рамки Стандартной модели, предлагают дополнительные фундаментальные силы (например, новую силу, которая взаимодействует только с темной материей , опосредованной массивным « темным фотоном »).

Также может потребоваться новое поле и/или бозон, даже если это не сила, чтобы объяснить массы нейтрино , которые не подходят для механизма Хиггса Стандартной модели и в настоящее время недостаточно изучены. Массы нейтрино — единственное существенное расширение Стандартной модели с момента ее формулирования.

С другой стороны, мы могли бы также, например, обнаружить, что гравитация возникает из одной или нескольких сил Стандартной модели, или что все силы Стандартной модели имеют общий источник в какой-то более глубокой теории (такой как ТВО или ТВО). TOE ), тем самым уменьшая количество действительно фундаментальных сил.

Историческая сноска

История тоже играет роль.

Гравитация была сформулирована как сила в форме, которую уравнения Максвелла имитировали три века спустя, в 1687 году, Ньютоном, и таким образом объединила силу, управляющую движением планет, и силу, заставляющую объекты падать на землю. Его общерелятивистское расширение было предложено Эйнштейном в 1915 году, более века назад. По иронии судьбы, несмотря на то, что это старейшая из математически сформулированных фундаментальных сил, сегодня мы понимаем ее хуже, чем три фундаментальные силы Стандартной модели. Это единственная сила, для которой у нас нет жизнеспособной квантовой формулировки, даже несмотря на то, что мы очень близко подошли к этому моменту, когда мы можем почти полностью описать свойства гипотетического гравитона, но не можем проводить расчеты с помощью этой теории.

Научные исследования электричества и магнетизма шли полным ходом в 17 веке, объединение электричества и магнетизма начало возникать в 18 веке и уточнялось в последующие десятилетия, Максвелл объединил оптику и электромагнетизм в 1860-х годах, Максвелл и Хевисайд полностью сформулировал уравнения классического электромагнетизма Максвелла к концу 1800-х годов, Эйнштейн предположил существование фотона в 1905 году, что было подтверждено в 1920-х годах, а квантовая электродинамика (квантовая версия электромагнетизма) была разработана, начиная с 1920-х годов, и была завершена до того, как За его открытие в 1965 году была присуждена Нобелевская премия.

Бета-распад (вызванный слабым взаимодействием ) не был обнаружен до 1896 года и даже не рассматривался как сила, пока Ферми не придумал (неточное) описание его как контактной силы в 1933 году. Точное описание слабое взаимодействие как часть всеобъемлющего электрослабого взаимодействия не было изобретено до 1968 года, а существование бозонов W и Z не было напрямую подтверждено до 1983 года. Учитывая, что это отличительное явление было теоретически объединено с электромагнетизмом всего 50 лет назад, оно неудивительно, что его рассматривают как нечто отличное от электромагнетизма, даже если оно тесно связано с ним.

Между тем сильное взаимодействие не понималось каким-либо осмысленным образом до 1970-х годов. Глюоны не были выдвинуты до 1962 года, цветовой заряд не был сформулирован как концепция до 1973 года, а кварк-глюонная модель не была подтверждена экспериментально до тех пор, пока эксперименты, подтверждающие ее, не были проведены в 1978 году (в том же году, когда термин «кварк» был придуман ) и 1979 г. Существование последнего из открытых кварков (верхний кварк) не было экспериментально подтверждено до 1995 г.

Концепции бозона Хиггса и поля Хиггса были предложены с 1960 по 1972 год и подтверждены экспериментально в 2012 году.

Прежде всего, поговорим об объединении двух сил: электромагнитной силы и слабой силы.

До объединения мы не знали, что это одно и то же. Поскольку мы тоже появились после большого взрыва, мы наблюдали две силы: электромагнитную силу и слабую силу, а не электрослабую силу, которая подобна дочерним клеткам родительской клетки: электрослабая. сила

Как упомянул @Aaron stevens, это из-за истории, у нас есть четыре силы. Если люди найдут то, что они называют Теорией всего, тогда вы можете сказать, что все есть одно , но вы все равно будете изучать, что есть четыре фундаментальные силы.

Ответы охватывают историческую причину фундаментальных сил. Я хотел бы прояснить следующее.

В рамках теоретико-полевых моделей для данных физики элементарных частиц, где делается заявление о четырех фундаментальных силах , в основном все расчеты по теоретическим моделям (которые описаны другими ответами) для сравнения с данными выполняются с использованием Фейнмана . диаграммы. .

В этом символическом представлении интегралов, которые необходимо вычислить, каждая вершина обменивается виртуальными частицами, передавая силу dp/dt, и любая виртуальная частица передает силу.

Например, электрон-позитронная аннигиляция происходит с виртуальным электроном, передающим силу. Однако основным носителем силы, чтобы отделить его от всех других возможностей, является первый, который обменивается фотоном. Фотоны, глюоны и W и Z являются калибровочными бозонами и определяют обмены первого порядка, характеризующие взаимодействия в стандартной модели физики элементарных частиц SU(3)xSU(2)xU(1) . .

Эти калибровочные бозоны присущи математической формулировке теории и характеризуют ее во взаимно однозначном соответствии с фундаментальными силами. Вот почему открытие Z и W было важно, они подтвердили эту математическую модель так же, как открытие бозона Хиггса позднее. В будущем могут появиться другие калибровочные теории, которые будут иметь свои собственные калибровочные бозоны и, таким образом, увеличат фундаментальные силы, но это игра ожидания для данных. Вот почему постулируется гравитон, калибровочный бозон гравитации, когда гравитация окончательно (и неэффективно) квантуется.