एकीकृत क्षेत्र सिद्धांत

भौतिकी में, एक एकीकृत क्षेत्र सिद्धांत (यूएफटी) एक प्रकार का क्षेत्र सिद्धांत (भौतिकी) है जो भौतिक और आभासी क्षेत्रों की एक जोड़ी के संदर्भ में आमतौर पर मौलिक बलों और प्राथमिक कणों के बारे में सोचा जाने की अनुमति देता है। भौतिकी में आधुनिक खोजों के अनुसार, बल परस्पर क्रिया करने वाली वस्तुओं के बीच सीधे संचरित नहीं होते हैं, बल्कि फ़ील्ड (भौतिकी) नामक मध्यवर्ती संस्थाओं द्वारा वर्णित और बाधित होते हैं।

शास्त्रीय रूप से, हालांकि, क्षेत्रों का एक द्वंद्व एक भौतिक क्षेत्र में संयुक्त होता है। एक सदी से भी अधिक समय से, एकीकृत क्षेत्र सिद्धांत अनुसंधान की एक खुली रेखा बना हुआ है और यह शब्द अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा गढ़ा गया था, जिन्होंने अपनी सामान्य सापेक्षता को विद्युत चुंबकत्व के साथ एकीकृत करने का प्रयास किया। सब कुछ का सिद्धांत और ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी एकीकृत क्षेत्र सिद्धांत से निकटता से संबंधित हैं, लेकिन प्रकृति के आधार को फ़ील्ड होने की आवश्यकता नहीं है, और अक्सर भौतिक आयाम रहित भौतिक स्थिरांक की व्याख्या करने का प्रयास करके भिन्न होते हैं। शास्त्रीय भौतिकी पर आधारित पहले के प्रयासों का वर्णन शास्त्रीय एकीकृत क्षेत्र सिद्धांतों पर लेख में किया गया है।

एक एकीकृत क्षेत्र सिद्धांत के लक्ष्य ने भविष्य के सैद्धांतिक भौतिकी के लिए काफी प्रगति की है, और प्रगति जारी है।

बल
सभी चार ज्ञात मूलभूत बल क्षेत्रों द्वारा मध्यस्थ हैं, जो कण भौतिकी के मानक मॉडल में गेज बोसोन के आदान-प्रदान से उत्पन्न होते हैं। विशेष रूप से, एकीकृत किए जाने वाले चार मूलभूत इंटरैक्शन हैं:
 * मजबूत अंतःक्रिया: हैड्रान बनाने के लिए क्वार्क को एक साथ रखने और परमाणु नाभिक बनाने के लिए न्यूट्रॉन और प्रोटॉन को एक साथ रखने के लिए जिम्मेदार बातचीत। इस बल की मध्यस्थता करने वाला विनिमय कण ग्लूऑन है।
 * विद्युत चुम्बकीय अन्योन्यक्रिया: परिचित अन्योन्य क्रिया जो विद्युत आवेशित कणों पर कार्य करती है। फोटॉन इस बल का विनिमय कण है।
 * कमजोर अंतःक्रिया: रेडियोधर्मिता के कुछ रूपों के लिए जिम्मेदार एक छोटी दूरी की बातचीत, जो इलेक्ट्रॉनों, न्युट्रीनो  और क्वार्क पर कार्य करती है। यह W और Z बोसोन द्वारा मध्यस्थ है।
 * गुरुत्वाकर्षण अन्योन्य क्रिया: एक लंबी दूरी की आकर्षक अंतःक्रिया जो सभी कणों पर कार्य करती है। पोस्टुलेटेड एक्सचेंज पार्टिकल को ग्रेविटॉन नाम दिया गया है।

आधुनिक एकीकृत क्षेत्र सिद्धांत इन चार बलों और पदार्थों को एक साथ एक ढांचे में लाने का प्रयास करता है।

क्लासिक सिद्धांत
पहला सफल क्लासिकल एकीकृत क्षेत्र सिद्धांत जेम्स क्लर्क मैक्सवेल द्वारा विकसित किया गया था। 1820 में, हैंस क्रिश्चियन ओर्स्टेड ने पाया कि विद्युत धाराएं चुम्बकों पर बल लगाती हैं, जबकि 1831 में, माइकल फैराडे ने अवलोकन किया कि समय-भिन्न [[चुंबकीय क्षेत्र]] विद्युत धाराओं को प्रेरित कर सकते हैं। उस समय तक, बिजली और चुंबकत्व को असंबंधित घटना माना जाता था। 1864 में, मैक्सवेल ने विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के एक गतिशील सिद्धांत पर अपना प्रसिद्ध पत्र प्रकाशित किया। यह एक ऐसे सिद्धांत का पहला उदाहरण था जो विद्युत चुंबकत्व के एक एकीकृत सिद्धांत प्रदान करने के लिए पहले अलग क्षेत्र सिद्धांतों (अर्थात् बिजली और चुंबकत्व) को शामिल करने में सक्षम था। 1905 तक, अल्बर्ट आइंस्टीन ने मैक्सवेल के सिद्धांत में प्रकाश की गति की स्थिरता का उपयोग अंतरिक्ष और समय की हमारी धारणाओं को एक इकाई में एकीकृत करने के लिए किया था जिसे अब हम अंतरिक्ष समय  कहते हैं और 1915 में उन्होंने गुरुत्वाकर्षण, सामान्य सापेक्षता के वर्णन के लिए विशेष सापेक्षता के इस सिद्धांत का विस्तार किया।, चार आयामी दिक्-काल की घुमावदार ज्यामिति का वर्णन करने के लिए एक क्षेत्र का उपयोग करना।

सामान्य सिद्धांत के निर्माण के बाद के वर्षों में, बड़ी संख्या में भौतिकविदों और गणितज्ञों ने तत्कालीन ज्ञात मूलभूत अंतःक्रियाओं को एकजुट करने के प्रयास में उत्साहपूर्वक भाग लिया। इस डोमेन में बाद के विकास के मद्देनजर, विशेष रुचि 1919 के हरमन वेइल के सिद्धांत हैं, जिन्होंने शास्त्रीय क्षेत्र सिद्धांत में एक (विद्युत चुम्बकीय) गेज सिद्धांत की अवधारणा पेश की। और, दो साल बाद, थिओडोर कलुजा का, जिसने सामान्य सापेक्षता को पांच-आयामी अंतरिक्ष में विस्तारित किया। इस बाद की दिशा में आगे बढ़ते हुए, ऑस्कर क्लेन ने 1926 में प्रस्तावित किया कि चौथा स्थानिक आयाम संघनन (भौतिकी)भौतिकी) एक छोटे, अनदेखे सर्कल में होना चाहिए। कलुज़ा-क्लेन सिद्धांत में, अतिरिक्त स्थानिक दिशा का गुरुत्वाकर्षण वक्रता विद्युत चुंबकत्व के समान एक अतिरिक्त बल के रूप में व्यवहार करता है। ये और विद्युत चुंबकत्व और गुरुत्वाकर्षण के अन्य मॉडल अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा शास्त्रीय एकीकृत क्षेत्र सिद्धांतों के अपने प्रयासों में अपनाए गए थे। 1930 तक आइंस्टीन पहले ही आइंस्टीन-मैक्सवेल-डिराक सिस्टम [डोंगन] पर विचार कर चुके थे। यह प्रणाली (अनुमानिक रूप से) सुपर-क्लासिकल [वरदराजन] क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (गणितीय रूप से अच्छी तरह से परिभाषित नहीं) की सीमा है। आइंस्टीन-यांग-मिल्स-डायराक सिस्टम प्राप्त करने के लिए कमजोर और मजबूत परमाणु बलों को शामिल करने के लिए इस प्रणाली का विस्तार किया जा सकता है। फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी मैरी एंटोनेट टोनलैट ने 1940 के दशक की शुरुआत में परिमाणित स्पिन-2 क्षेत्र के लिए मानक रूपान्तरण संबंधों पर एक पेपर प्रकाशित किया था। उन्होंने द्वितीय विश्व युद्ध के बाद इरविन श्रोडिंगर के साथ मिलकर इस काम को जारी रखा। 1960 के दशक में मेंडेल सैक्स ने एक आम तौर पर सहसंयोजक क्षेत्र सिद्धांत का प्रस्ताव रखा था जिसमें पुनर्सामान्यीकरण या गड़बड़ी सिद्धांत के लिए सहारा की आवश्यकता नहीं थी। 1965 में, टोनलैट ने एकीकृत क्षेत्र सिद्धांतों पर शोध की स्थिति पर एक पुस्तक प्रकाशित की।

आधुनिक प्रगति
1963 में, अमेरिकी भौतिक विज्ञानी शेल्डन ग्लासो ने प्रस्तावित किया कि कमजोर परमाणु बल, बिजली और चुंबकत्व आंशिक रूप से एकीकृत इलेक्ट्रोवीक सिद्धांत से उत्पन्न हो सकते हैं। 1967 में, पाकिस्तानी नमस्ते अब्दुस  और अमेरिकी स्टीवन वेनबर्ग ने स्वतंत्र रूप से W कण और Z कण के लिए द्रव्यमान को हिग्स तंत्र के साथ सहज समरूपता के माध्यम से उत्पन्न करके Glashow के सिद्धांत को संशोधित किया। इस एकीकृत सिद्धांत ने इलेक्ट्रोवीक इंटरैक्शन को चार कणों द्वारा मध्यस्थता वाले बल के रूप में प्रतिरूपित किया: विद्युत चुम्बकीय पहलू के लिए फोटॉन, और एक तटस्थ Z कण, और कमजोर पहलू के लिए दो आवेशित W कण। स्वतःस्फूर्त समरूपता के टूटने के परिणामस्वरूप, कमजोर बल कम दूरी का हो जाता है और W और Z बोसोन 80.4 के द्रव्यमान प्राप्त कर लेते हैं और $91.2 GeV/c^{2}$, क्रमश। उनके सिद्धांत को पहली बार 1973 में कमजोर तटस्थ धाराओं की खोज के द्वारा प्रयोगात्मक समर्थन दिया गया था। 1983 में, Z और W बोसोन का पहली बार CERN में चार्ल्स रुबिया की टीम द्वारा उत्पादन किया गया था। उनकी अंतर्दृष्टि के लिए, ग्लासो, सलाम और वेनबर्ग को 1979 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया। कार्लो रुबिया और साइमन वैन डेर मीर ने 1984 में पुरस्कार प्राप्त किया।

जेरार्डस के टी हूफ्ट ने ग्लासो-वेनबर्ग-सलाम इलेक्ट्रोवीक इंटरैक्शन को गणितीय रूप से सुसंगत होने के बाद दिखाया, इलेक्ट्रोवीक सिद्धांत एकीकृत बलों पर आगे के प्रयासों के लिए एक टेम्पलेट बन गया। 1974 में, शेल्डन ग्लासो और हावर्ड जॉर्जी ने जॉर्जी-ग्लाशो मॉडल में मजबूत और इलेक्ट्रोवीक इंटरैक्शन को एकीकृत करने का प्रस्ताव दिया, पहला ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी, जिसमें 100 GeV से अधिक ऊर्जा के लिए अवलोकन योग्य प्रभाव होंगे।

तब से ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरीज़ के लिए कई प्रस्ताव आए हैं, उदा। पति-सलाम मॉडल, हालांकि वर्तमान में कोई भी सार्वभौमिक रूप से स्वीकृत नहीं है। ऐसे सिद्धांतों के प्रयोगात्मक परीक्षणों के लिए एक बड़ी समस्या शामिल ऊर्जा पैमाने है, जो वर्तमान कण त्वरक की पहुंच से काफी दूर है। ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी मजबूत, कमजोर और विद्युत चुम्बकीय बलों की सापेक्ष ताकत के लिए भविष्यवाणियां करती हैं, और 1991 में बड़ा इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर ने निर्धारित किया कि न्यूनतम सुपरसिमेट्रिक मानक मॉडल  सिद्धांतों में जॉर्जी-ग्लाशो ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी के लिए कपलिंग का सही अनुपात है।

कई ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरीज़ (लेकिन पति-सलाम नहीं) भविष्यवाणी करते हैं कि प्रोटॉन क्षय, और यदि इसे देखा जाए, तो क्षय उत्पादों के विवरण ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी के अधिक पहलुओं पर संकेत दे सकते हैं। वर्तमान में यह ज्ञात नहीं है कि प्रोटॉन का क्षय हो सकता है या नहीं, हालांकि प्रयोगों ने 10 की निचली सीमा निर्धारित की हैइसके जीवनकाल के लिए 35 वर्ष।

वर्तमान स्थिति
सैद्धांतिक भौतिकविदों ने अभी तक एक व्यापक रूप से स्वीकृत, सुसंगत सिद्धांत तैयार नहीं किया है जो सामान्य सापेक्षता और क्वांटम यांत्रिकी को सब कुछ का सिद्धांत बनाने के लिए जोड़ता है। ग्रेविटॉन को मजबूत और इलेक्ट्रोवीक इंटरैक्शन के साथ संयोजित करने की कोशिश करने से मूलभूत कठिनाइयाँ होती हैं और परिणामी सिद्धांत पुनर्सामान्यीकरण नहीं है। भौतिकी के क्षेत्र में दो सिद्धांतों की असंगति एक उत्कृष्ट समस्या बनी हुई है।

यह भी देखें

 * शेल्डन ग्लासो

अग्रिम पठन

 * Jeroen van Dongen Einstein's Unification, Cambridge University Press (July 26, 2010)
 * Varadarajan, V.S. Supersymmetry for Mathematicians: An Introduction (Courant Lecture Notes), American Mathematical Society (July 2004)

बाहरी संबंध

 * On the History of Unified Field Theories, by Hubert F. M. Goenner