Warum sagen wir, dass es im Standardmodell (wenn man die Schwerkraft mit einbezieht) vier fundamentale Kräfte gibt? [Duplikat]

Dies ist eines meiner Lieblingsthemen, also werde ich etwas klarstellen, was wir wirklich meinen, wenn wir sagen, dass die EM und die schwachen Kräfte „vereint“ sind.

Im Standardmodell der Teilchenphysik, das zu den Grundlagen unseres heutigen Naturverständnisses gehört, gibt es drei unterschiedliche Kraftfelder (Physiker nennen sie Eichfelder ).

• Einer entspricht der starken Kraft , die Quarks in Protonen und Neutronen bindet. In der Fachliteratur wird dieser manchmal bezeichnet$SU(3)$.
• Die anderen beiden Gauge-Felder sind für Ihre Frage relevant. In der Fachliteratur werden diese beiden Eichfelder durch die kryptischen Symbole beschrieben$SU(2)_L$und$U(1)_Y$, und ich werde hier nicht versuchen, bessere Namen für sie zu erfinden. Der wichtige Punkt ist, dass die vertraute EM-Kraft eine spezielle Mischung aus ist$SU(2)_L$und$U(1)_Y$, und der Rest (eine andere Mischung) ist das, was wir die schwache Kraft nennen .

Im Standardmodell ist jedes dieser drei Kraftfelder – nämlich$SU(3)$,$SU(2)_L$, und$U(1)_Y$, Paare mit einer anderen Stärke als die anderen. Deshalb werden sie als drei verschiedene Bereiche betrachtet, die im strengen Sinne nicht wirklich einheitlich sind. Wie jedoch in der prägnanteren Antwort von Aaron Stevens angegeben, verursacht das berühmte Higgs-Feld bei ausreichend niedrigen Temperaturen (was wir heute als "normale" Temperaturen bezeichnen würden) das berühmte Higgs-Feld$SU(2)_L$und$U(1)_Y$Eichfelder miteinander zu vermischen, was zu zwei unterschiedlichen Mischungen führt, die wir als die langreichweitige elektromagnetische Kraft und die sehr kurzreichweitige schwache Kraft erleben.

Der Sinn dieses langen Monologs besteht darin, zu klären, was „einheitlich“ in diesem Zusammenhang wirklich bedeutet. Die EM und die schwachen Kräfte sind zwei verschiedene Mischungen der fundamentaleren Kräfte$SU(2)_L$und$U(1)_Y$Felder. Es gibt also nach wie vor vier grundlegende Kraftfelder in unserem heutigen Verständnis der modernen Physik: die starke Kraft$SU(3)$, der angerufene$SU(2)_L$, der angerufene$U(1)_Y$, und Schwerkraft. (Das Standardmodell der Teilchenphysik beinhaltet keine Gravitation.)

Andererseits haben wir indirekte theoretische Gründe, dies zu vermuten$SU(3)$,$SU(2)_L$, und$U(1)_Y$sind wirklich vereint im strengen Sinne, dass sie verschiedene Teile eines einzigen Feldes mit einer einzigen Kopplungsstärke zur Materie sind. Wir wissen noch nicht genau, wie wir diese strenge Form der Vereinheitlichung theoretisch umsetzen können. Selbst wenn die Idee richtig ist, würde diese höhere Symmetrie nur bei noch höheren Temperaturen als denen, die wir zum "Entmischen" benötigen würden, sichtbar werden.$SU(2)_L$und$U(1)_Y$.

Ich würde sagen, es liegt an der Geschichte, da jede der vier Kräfte als separate Kräfte entdeckt wurde.

Ich werde auch sagen, dass es daran liegt, wie wir sie heute erleben. Sie sind derzeit vier separate Kräfte. Sie vereinheitlichen sich bei sehr großen Energien/Temperaturen, die sehr bald nach dem Urknall vorhanden waren. Aber als das Universum abkühlte, spaltete sich die elektroschwache Kraft in zwei Kräfte auf.

Mouseover: "Von diesen vier Kräften gibt es eine, die wir nicht wirklich verstehen." "Ist es die schwache Kraft oder die starke..." "Es ist die Schwerkraft."

Der obige xkcd-Comic ist unter einer Creative-Commons-Lizenz verfügbar.

Denken Sie daran, dass die Aussage, dass es vier grundlegende Kräfte gibt, im Grunde ein heuristisches Werkzeug ist, um eine komplizierte Realität zu lehren. Eine von vielen vernünftigen Möglichkeiten, eine Kraft operativ zu definieren, um zu zählen, wie viele grundlegende Kräfte es in Beschreibungen der Wissenschaft auf Laienebene gibt, besteht darin, eine Kraft als eine Kraft zu definieren, die als separat gilt, wenn sie mit einer bestimmten Art von Eichboson verbunden ist, das koppelt zu einer bestimmten Belastungsart.

Über Wikipedia

Daher haben wir: (1) die elektromagnetische Kraft, die mit Photonen verbunden ist, die an elektrische Ladung koppeln, (2) die schwache Kraft, die mit den massiven W- und Z-Bosonen verbunden ist, die an schwachen Isospin koppeln, und (3) die starke Kraft, die mit Gluonen verbunden ist welches Paar zum Farbauftrag. Und viele Theorien der Quantengravitation assoziieren (4) Gravitation mit einem hypothetischen Eichboson, bekannt als Graviton, das an eine Ladung koppelt, die gleich der gesamten Massenenergie eines Teilchens ist.

Obwohl man theoretisch von einer elektroschwachen Wechselwirkung sprechen kann , die eine gemeinsame Quelle hat, ist es phänomenologisch einfach, zwischen der starken, langreichweitigen, durch Photonen vermittelten Komponente dieser Wechselwirkung und der schwachen, kurzreichweitigen W- und Z-Boson-vermittelten Komponente von zu unterscheiden diese Interaktion.

Diese Definition behandelt zum Beispiel natürlich die elektrische Kraft und den Magnetismus als vereint (weil beide Wechselwirkungen elektrisch geladener Teilchen über Photonen beinhalten), während Kräfte, die allgemein als getrennt angesehen werden, als getrennt behandelt werden.

Diese Definition funktioniert auch für die schwache Kraft, denn obwohl es drei Arten von Eichbosonen gibt (das W+, das W- und das Z), koppeln alle drei an die gleiche "Ladung" (dh schwacher Isospin) mit der gleichen Kopplungskonstante, und sind sich auch darin ähnlich, dass sie alle massiv und kurzlebig sind.

In der Tat ist es für die meisten Menschen wirklich schwieriger zu erklären, warum W-Bosonen Eichbosonen sind, deren Wechselwirkungen als Kräfte zählen, obwohl diese Wechselwirkungen dem Paradigma der masselosen, durch Photonen/Gluonen/Gravitonen vermittelten Wechselwirkungen sehr unähnlich sind, die viel ähnlicher aussehen was wir intuitiv als Kräfte betrachten (mit der Wendung, dass Gluonen und Gravitonen im Gegensatz zu Photonen ebenso miteinander interagieren wie mit entsprechend geladenen Fermionen). Ihre Frage zeigt jedoch, dass Sie mit dieser Frage nicht zu kämpfen haben, und mathematisch gesehen ähnelt die schwache Wechselwirkung den anderen Kräften des Standardmodells sehr.

Andere Fragen und Antworten haben sich damit befasst, warum das Higgs-Boson kein Eichboson ist und das Higgs-Feld nicht als Kraft zählt, obwohl dies ein fundamentales Boson und ein fundamentales Feld des Standardmodells ist (das proportional zu a koppelt Ruhemasse des Grundteilchens).

Es könnte eines Tages mehr oder weniger als vier fundamentale Kräfte geben

Wir könnten eines Tages weitere fundamentale Kräfte entdecken, aber bisher haben wir keine überzeugenden Beweise dafür gefunden, dass sie existieren. Viele über das Standardmodell hinausgehende Theorien schlagen zusätzliche fundamentale Kräfte vor (z. B. eine neue Kraft, die nur an dunkle Materie koppelt, vermittelt durch ein massives „ dunkles Photon “).

Es könnte auch ein neues Feld und/oder Boson erfordern, auch wenn es keine Kraft ist, um Neutrinomassen zu erklären , die nicht gut zum Higgs-Mechanismus des Standardmodells passen und derzeit nicht gut verstanden werden. Neutrinomassen sind die einzige signifikante Erweiterung, die das Standardmodell seit seiner Formulierung erfahren hat.

Andererseits könnten wir zum Beispiel auch entdecken, dass die Schwerkraft aus einer oder mehreren Kräften des Standardmodells hervorgeht oder dass alle Kräfte des Standardmodells in einigen tieferen Theorien eine gemeinsame Quelle haben (wie eine GUT oder eine TOE ), wodurch die Zahl der wirklich fundamentalen Kräfte reduziert wird.

Eine historische Fußnote

Auch die Geschichte spielt eine Rolle.

Die Schwerkraft wurde als Kraft formuliert, mit einer Form, die Maxwells Gleichungen drei Jahrhunderte später, 1687, von Newton nachahmen würden, und vereinte auf diese Weise die Kraft, die die Bewegung der Planeten bestimmt, und die Kraft, die Objekte zu Boden fallen lässt. Seine allgemeine relativistische Erweiterung wurde 1915, vor mehr als einem Jahrhundert, von Einstein vorgeschlagen. Ironischerweise verstehen wir sie, obwohl sie die älteste der mathematisch formulierten Grundkräfte ist, heute weniger gut als die drei Grundkräfte des Standardmodells. Es ist die einzige Kraft, für die wir keine brauchbare Quantenformulierung haben, obwohl wir dem Punkt verlockend nahe gekommen sind, an dem wir die Eigenschaften eines hypothetischen Gravitons fast vollständig beschreiben können, aber nicht mit dieser Theorie rechnen können.

Die wissenschaftliche Untersuchung von Elektrizität und Magnetismus war im 17. Jahrhundert in vollem Gange, die Vereinigung von Elektrizität und Magnetismus begann sich im 18. Jahrhundert abzuzeichnen und wurde in den folgenden Jahrzehnten verfeinert, Maxwell vereinheitlichte Optik und Elektromagnetismus in den 1860er Jahren, Maxwell und Heaviside Ende des 18. Jahrhunderts die Maxwellschen Gleichungen des klassischen Elektromagnetismus vollständig formuliert hatte, schlug Einstein 1905 die Existenz des Photons vor, was in den 1920er Jahren bestätigt wurde, und die Quantenelektrodynamik (die Quantenversion des Elektromagnetismus) wurde ab den 1920er Jahren entwickelt und war vor dem 20 Für seine Entdeckung wurde 1965 der Nobelpreis verliehen.

Der Beta-Zerfall (der durch die schwache Wechselwirkung verursacht wird ) wurde erst 1896 entdeckt und wurde nicht einmal als Kraft angesehen, bis Fermi 1933 eine (ungenaue) Beschreibung als Kontaktkraft vorlegte. Eine genaue Beschreibung von Die schwache Kraft als Teil einer umfassenden elektroschwachen Wechselwirkung wurde erst 1968 entwickelt, und die Existenz des W- und Z-Bosons wurde erst 1983 direkt bestätigt. Angesichts der Tatsache, dass dieses charakteristische Phänomen erst vor 50 Jahren theoretisch mit dem Elektromagnetismus vereint wurde, ist es so Es überrascht nicht, dass er als etwas anderes als Elektromagnetismus behandelt wird, obwohl er eng damit verwandt ist.

Die starke Kraft hingegen wurde bis in die 1970er Jahre nicht sinnvoll verstanden. Gluonen wurden erst 1962 hypothetisiert, die Farbladung wurde erst 1973 wirklich als Konzept formuliert, und das Quark-Gluon-Modell wurde experimentell nicht bestätigt, bis 1978 Experimente durchgeführt wurden, die es bestätigten (dasselbe Jahr, in dem der Begriff "Quark" wurde ) und 1979 geprägt. Das letzte der entdeckten Quarks (das Top-Quark) wurde erst 1995 experimentell bestätigt.

Die Konzepte des Higgs-Bosons und des Higgs-Felds wurden von 1960 bis 1972 vorgeschlagen und 2012 experimentell bestätigt.

Lassen Sie uns zunächst über die Vereinigung zweier Kräfte sprechen: elektromagnetische Kraft und schwache Kraft.

Vor der Vereinigung wussten wir nicht, dass sie eine Sache sind. Da wir auch nach dem Urknall entstanden sind, haben wir zwei Kräfte beobachtet: elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft eher als elektroschwache Kraft, die wie die Tochterzellen der Elternzelle sind: elektroschwach Gewalt

Wie @Aaron Stevens erwähnt hat, haben wir aufgrund der Geschichte vier Kräfte. Wenn die Leute finden, was sie Theorie von allem nennen, dann könnte man sagen, dass alles eine Sache ist , aber Sie würden immer noch studieren, dass es vier grundlegende Kräfte gibt.

Die Antworten decken den historischen Grund für fundamentale Kräfte ab. Ich möchte folgendes klären.

Im Rahmen von feldtheoretischen Modellen für Daten der Teilchenphysik, in denen die Behauptung von vier Grundkräften aufgestellt wird, werden meistens alle Berechnungen aus den theoretischen Modellen (die in den anderen Antworten beschrieben werden) zum Vergleich mit Daten unter Verwendung von Feynman durchgeführt Diagramme. .

In dieser ikonischen Darstellung der zu berechnenden Integrale tauscht jeder Scheitelpunkt virtuelle Teilchen aus und überträgt eine Kraft, dp/dt, und jedes virtuelle Teilchen überträgt eine Kraft .

Zum Beispiel passiert die Elektron-Positron-Vernichtung, wenn das virtuelle Elektron die Kraft überträgt. Der grundlegende Träger der Kraft ist aber, um es von allen anderen Möglichkeiten abzugrenzen, der erste, der ein Photon austauscht. Photonen, Gluonen und W und Z sind die Eichbosonen und definieren den Austausch erster Ordnung, der die Wechselwirkungen im SU(3)xSU(2)xU(1) -Standardmodell der Teilchenphysik charakterisiert. .

Diese Eichbosonen sind der mathematischen Formulierung der Theorie inhärent und charakterisieren sie in einer Eins-zu-Eins-Übereinstimmung mit den fundamentalen Kräften. Deshalb waren die Entdeckungen von Z und W wichtig, sie bestätigten dieses mathematische Modell ebenso wie später die Entdeckung des Higgs. Es mögen in Zukunft andere Eichtheorien kommen, die ihre eigenen Eichbosonen haben und damit die fundamentalen Kräfte erhöhen, aber es ist ein Wartespiel für die Daten. Deshalb wird das Graviton postuliert, es ist das Eichboson der Schwerkraft, sobald die Schwerkraft definitiv (und nicht effektiv) quantisiert ist.