Unified Field Theory - Toitsubariron

An attempt to derive the necessity for the existence of fields for all elementary particles and the interactions between them from a unified perspective is called a unified field theory, or unified theory. In a narrow sense, the term unified field theory refers to the attempt in the 1920s and 1930s to unify electromagnetic force and gravity on the path of geometrizing the laws of physics immediately after the success of the general theory of relativity. However, here we include the unified theory of interactions based on quantum theory and gauge theory, which has been revived since the mid-1970s.

The theory of general relativity proposed by Einstein in 1915 was a geometric theory of gravity, but in 1918, H. Weyl and in 1921, Theodor Franz Eduard Kaluza (1885-1954) attempted to extend the theory of general relativity by describing electromagnetism as a geometric theory like gravity. These attempts included extending Riemannian geometry and extending four-dimensional space to further multidimensional space. Einstein also devoted the latter half of his life to pursuing this theory, but these unified field theories were unsuccessful. Research into the phenomena of atomic nuclei and elementary particles, which developed rapidly from the 1930s, recognized the weak and strong interactions that only act at microscopic scales such as elementary particles as new forces in addition to the classical forces of gravity and electromagnetic force, and discovered that four forces exist in nature. The weak interaction occurs through the beta decay of atomic nuclei, while the strong interaction was discovered through Hideki Yukawa's meson theory of nuclear force.

In the 1970s, it was discovered that the forces between the quarks that make up protons and neutrons are interactions mediated by gauge fields similar to those in electromagnetism. On the other hand, since theories of gravity and electromagnetic force are also types of gauge theory, all four interactions are described by gauge theories, and a unified theory that derives these four gauge fields from a unified principle has become a real challenge. Gauge theory is a geometric theory in a broad sense, but it is not a simple extension of the previous unified field theory. In 1967, Weinberg and in 1968, Salam developed Glashow's ideas and proposed a gauge theory (Weinberg-Salam theory) that unifies the electromagnetic force and the weak interaction, and this was verified by experiments. Subsequently, attempts were made to unify these two and the strong interaction as well as a grand unified theory. This theory predicts the decay of the proton and other phenomena, and experiments have been attempted. Furthermore, several attempts have been made to unify all forces, including gravity, but have not yet been successful.

Gauge theory is based on the assumption that the existence of gauge fields is necessary because the symmetry of physical laws is independent at each point in time and space. In addition, the originally existing symmetry is broken, leading to the differentiation into several forces. This symmetry breaking actually occurred in the early universe, and is thought to be the origin of the four forces we see today. In this way, today's unified theory is closely related to cosmology, and there are also attempts to derive the necessity for the existence of all matter from the supersymmetry between bosons and fermions. There are also attempts to derive the necessity for the existence of multidimensional space from supersymmetrical space and four-dimensional space-time, as in superstring theory (also called superstring theory or superstring theory).

[Fumitake Sato]

"W. Heisenberg, "Unified Field Theory of Elementary Particles," translated by Yasuhisa Katayama (1970, Misuzu Shobo)" ▽ "Einstein, "General Theory of Relativity and Unified Field Theory," translated by Tatsuo Uchiyama (1970, Kyoritsu Shuppan)" ▽ "Exploring the Ultimate Nature of Matter -- Modern Unified Theory," edited by the Physical Society of Japan (1982, Baifukan)" ▽ "Cosmology and the Development of Unified Theory," edited by Fumitaka Sato (1987, Iwanami Shoten)" ▽ "Uchiyama, "Introduction to General Gauge Field Theory," (1987, Iwanami Shoten)" ▽ "P.C.W. Davis, J. Brown, eds., "Superstrings -- The World of Superstring Theory," translated by Shuji Deguchi (1990, Kinokuniya Shoten)" ▽ "David F. Peet, "Introduction to Superstring Theory, Vol. 1: Beyond the Grand Unified Theory," translated by Katsumi Kushimoto (1990, Kodansha)" ▽ "Unified Theory" by Yasunori Fujii: Can the four forces of nature be unified? (1993, Gakken) ▽ "Towards a Unified Theory of Elementary Particles" by Nishijima Kazuhiko (1995, Iwanami Shoten) ▽ "The Final Law of Physics - Supersymmetry and Superstring Theory" by Sakai Nobusuke (1995, Iwanami Shoten) ▽ "What is Quantum Field Theory? - Fundamental Principles for Approaching a Unified Theory" by Wada Sumio (1996, Kodansha) ▽ "Beyond Einstein - In Search of a Unified Theory of the Universe" New Edition by Michio Kaku and Jennifer Thompson, translated by Kushimoto Katsumi, supervised by Hirose Tatsunari (1997, Kodansha)" ▽ "The Creation of the Universe According to the Super-Grand Unified Theory" by Ozawa Naohiro (1998, Shimizu Kobundo Shobo) ▽ "Fundamentals of Elementary Particle Physics 2" by Nagashima Junkiyo (1998, Asakura Shoten) ▽ "Elementary Particle Physics" by Yasuo Hara, Takeo Inami, and Kenichiro Aoki (2000, Asakura Publishing)" ▽ "Gauge Field Theory" by Kazuo Fujikawa (2001, Iwanami Shoten)" ▽ "Supersymmetry: The World of Supersymmetry" by Gordon Cain, translated by Akihiko Fujii (2001, Kinokuniya Publishing) ▽ "Introduction to Elementary Particle Physics: From Basic Concepts to the Cutting Edge" by Yasushi Watanabe (2002, Baifukan Publishing)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

すべての素粒子の場の存在の必然性と、それらの間の相互作用を統一的観点から導こうとする試みを統一場理論、あるいは統一理論という。統一場理論という名称は、狭い意味では、一般相対性理論が成功した直後に物理法則の幾何学化の路線上で電磁気力と重力を統一しようとした1920～1930年代の試みをさしている。しかし、ここでは1970年代の中ごろから再興した量子論とゲージ理論による相互作用の統一理論を含めておく。

　1915年アインシュタインにより提唱された一般相対性理論は重力の幾何学理論であったが、1918年にH・ワイルが、1921年にはカルーツァTheodor Franz Eduard Kaluza（1885―1954）が電磁気学を重力と同様に幾何学の理論として記述し、一般相対論を拡張する試みを行った。これらは、リーマン幾何学の拡張や、四次元空間からさらなる多次元空間への拡張などにより試みられた。アインシュタインもその後半生をこの理論の追究に没頭したが、これらの統一場の理論は成功しなかった。1930年代から急速に発展した原子核や素粒子の現象の研究は、重力と電磁気力という古典的力以外に素粒子のような微視的大きさでのみ働く弱い相互作用と強い相互作用を新しい力として認識し、自然界には四つの力が存在することが発見された。弱い相互作用は原子核のβ(ベータ)崩壊を通じ、強い相互作用は湯川秀樹(ひでき)による核力の中間子論を通じてみいだされたものである。

　1970年代になり、陽子や中性子を構成するクォーク間の力は、電磁気学と類似のゲージ場により媒介される相互作用であることがわかってきた。一方、重力の理論も電磁気力の理論もゲージ理論の一種であるから、四つの相互作用はすべてゲージ理論で記述されることになり、これらの四つのゲージ場を統一的な原理から導き出すような統一理論が現実の課題となってきた。ゲージ理論は広い意味での幾何学理論であるが、かつての統一場理論の単純な延長線上にあるものではない。1967年にワインバーグ、翌1968年にサラムが、グラショーの考えを発展させて、電磁気力と弱い相互作用を統一するゲージ理論（ワインバーグ‐サラムの理論）を提出し、これは実験により検証された。続いて、これら二つと強い相互作用をも統一する大統一理論の試みが開始された。この理論では陽子の崩壊などが予言され、その実験が試みられている。さらに重力を含めたすべての力の統一もいくつか試みられているが、まだ成功していない。

　ゲージ理論は、物理法則のもつ対称性（シンメトリー）が時間・空間の各点で独立して成立することに由来するゲージ場の存在が必然的となることを基礎にして構築されている。そして、本来、存在する対称性が破れることと関連して、いくつかの力に分化していくのである。この対称性の破れは宇宙の初期に現実におこり、現在のような四つの力の起源となったと考えられている。このように今日の統一理論は宇宙論と密接に関連しており、さらにすべての物質の存在の必然性をボソン（ボース粒子）とフェルミオン（フェルミ粒子）間の超対称性から導こうとする試みもある。また超ひも理論（超弦理論もしくはスーパーストリング理論ともいう）のように多次元空間が内部空間と四次元時空に分離してきたとする試みもある。

［佐藤文隆］

『W・ハイゼンベルク著、片山泰久訳『素粒子の統一場理論』（1970・みすず書房）』▽『アインシュタイン著、内山龍雄訳編『一般相対性理論および統一場理論』（1970・共立出版）』▽『日本物理学会編『物質の窮極を探る――現代の統一理論』（1982・培風館）』▽『佐藤文隆編『宇宙論と統一理論の展開』（1987・岩波書店）』▽『内山龍雄著『一般ゲージ場論序説』（1987・岩波書店）』▽『P・C・W・デイヴィス、J・ブラウン編、出口修至訳『スーパーストリング――超ひも理論の世界』（1990・紀伊國屋書店）』▽『デーヴィッド・F・ピート著、久志本克己訳『超ひも理論入門　上　大統一理論を超える』（1990・講談社）』▽『藤井保憲著『「統一理論」――自然界の4つの力は統一できるか？』（1993・学習研究社）』▽『西島和彦著『素粒子の統一理論に向かって』（1995・岩波書店）』▽『坂井典佑著『最後の物理法則――超対称性と超弦理論』（1995・岩波書店）』▽『和田純夫著『場の量子論とは何か――統一理論へ近づくための根本原理』（1996・講談社）』▽『ミチオ・カク、ジェニファー・トンプソン著、久志本克己訳、広瀬立成監修『アインシュタインを超える――宇宙の統一理論を求めて』新版（1997・講談社）』▽『小沢直宏著『超・大統一理論による宇宙の開闢』（1998・清水弘文堂書房）』▽『長島順清著『素粒子物理学の基礎2』（1998・朝倉書店）』▽『原康夫・稲見武夫・青木健一郎著『素粒子物理学』（2000・朝倉書店）』▽『藤川和男著『ゲージ場の理論』（2001・岩波書店）』▽『ゴードン・ケイン著、藤井昭彦訳『スーパーシンメトリー――超対称性の世界』（2001・紀伊國屋書店）』▽『渡辺靖志著『素粒子物理入門――基本概念から最先端まで』（2002・培風館）』

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