En física , una teoría de campo unificada ( TCU ) es un tipo de teoría de campo que permite que todo lo que normalmente se considera como fuerzas fundamentales y partículas elementales se escriba 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 . [1]
Sin embargo, una dualidad de los campos se combina en un solo campo físico. [2] Durante más de un siglo, la teoría del campo unificado ha permanecido como una línea de investigación abierta. El término fue acuñado por Albert Einstein , [3] quien intentó unificar su teoría general de la relatividad con el electromagnetismo . La " Teoría del Todo " [4] y la Gran Teoría Unificada [5] están estrechamente relacionadas con la teoría del campo unificado, pero difieren en que no requieren que la base de la naturaleza sean campos, y a menudo en que intentan explicar constantes físicas de la naturaleza . Los intentos anteriores basados en la física clásica se describen en el artículo sobre teorías clásicas de campos unificados .
El objetivo de una teoría de campo unificada ha supuesto un gran avance para la física teórica futura , y el progreso continúa. [6]
Las cuatro fuerzas fundamentales conocidas están mediadas por campos, que en el Modelo Estándar de la física de partículas resultan del intercambio de bosones de norma . En concreto, las cuatro interacciones fundamentales que se deben unificar son:
La teoría moderna del campo unificado intenta reunir estas cuatro fuerzas y la materia en un único marco.
La primera teoría clásica de campo unificado exitosa 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 una teoría dinámica del campo electromagnético . Este fue el primer ejemplo de una teoría que pudo abarcar teorías de campo previamente separadas (a saber, 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 espacio-tiempo . En 1915, amplió esta teoría de la relatividad especial a una descripción de la gravedad, la relatividad general , utilizando un campo para describir la geometría curva del espacio-tiempo de cuatro dimensiones (4D).
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 conocidas en ese momento. [7] Dados los desarrollos posteriores en este dominio, son de particular interés las teorías de Hermann Weyl de 1919, quien introdujo el concepto de un campo de calibración (electromagnético) en una teoría de campo clásica [8] y, dos años más tarde, la de Theodor Kaluza , quien extendió la Relatividad General a cinco dimensiones . [9] Continuando en esta última dirección, Oscar Klein propuso en 1926 que la cuarta dimensión espacial se enrollara en un pequeño círculo no observado. En la teoría de Kaluza-Klein , la curvatura gravitacional de la dirección espacial adicional 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 una teoría clásica de 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 bien definida matemáticamente) . Se puede ampliar este sistema para incluir las fuerzas nucleares débil y fuerte para obtener 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 el campo de espín 2 cuantizado. 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 campos generalmente covariantes que no requería recurrir a la renormalización o la teoría de perturbaciones. En 1965, Tonnelat publicó un libro sobre el estado de la investigación sobre teorías de campos unificados.
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 al hacer que las masas de las partículas W y Z surjan a través de una 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 y91,2 GeV/c 2 , respectivamente. Su teoría recibió el primer apoyo experimental 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 descubrimientos, 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 demostrara que las interacciones electrodébiles de Glashow-Weinberg-Salam eran matemáticamente consistentes, la teoría electrodébil se convirtió en un modelo para posteriores intentos de unificar fuerzas. En 1974, Sheldon Glashow y Howard Georgi propusieron unificar las interacciones fuertes y electrodébiles en el modelo de Georgi-Glashow , la primera teoría de gran unificación , que tendría efectos observables para energías muy superiores a los 100 GeV.
Desde entonces, se han propuesto varias teorías de gran unificación, como el modelo de Pati-Salam , aunque actualmente ninguna de ellas goza de aceptación universal. Un problema importante para las pruebas experimentales de dichas teorías es la escala de energía involucrada, que está muy fuera del alcance de los aceleradores actuales . Las teorías de gran unificación hacen predicciones sobre las intensidades relativas de las fuerzas fuerte, débil y electromagnética, y en 1991 el LEP determinó que las teorías supersimétricas tienen la proporción correcta de acoplamientos para una teoría de gran unificación de Georgi-Glashow.
Muchas teorías de gran unificación (pero no la de Pati-Salam) predicen que el protón puede desintegrarse y, si esto se pudiera comprobar, los detalles de los productos de desintegración podrían dar pistas sobre más aspectos de la teoría de gran unificación. Actualmente se desconoce si el protón puede desintegrarse, aunque los experimentos han determinado un límite inferior de 10 35 años para su vida útil.
Los físicos teóricos aún no han formulado una teoría ampliamente aceptada y consistente que combine la relatividad general y la mecánica cuántica para formar una teoría del todo . Intentar combinar el gravitón con las interacciones fuerte y electrodébil 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.
