תאוריה מאוחדת גדולה

תאוריה מאוחדת גדולה (באנגלית: Grand Unified Theory, בראשי תיבות: GUT) היא מספר תורות שדה מאוחדות או מודלים בפיזיקה החוזים כי באנרגיות גבוהות במיוחד (מעל ‎10¹⁴ GeV‎), שלושה מהכוחות היסודיים בטבע: הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק מתמזגים לשדה מאוחד יחיד. בכך תאוריה זו היא חלק מחזון התאוריה של הכול.

עד עתה, הפיזיקאים הצליחו לאחד את הכוח האלקטרומגנטי ואת הכוח הגרעיני החלש לכוח יחיד, הכוח האלקטרו-חלש. עיקר העבודה כעת הוא באיחוד הכוח האלקטרו-חלש עם הכרומודינמיקה הקוונטית, התורה המתארת את פעולתו של הכוח הגרעיני החזק. כוח מאוחד זה מכונה לעיתים "הכוח האלקטרו-חזק" או "הכוח האלקטרו-גרעיני". בנוסף, יש הסבורים כי ניתן יהיה לאחד גם את הכוח היסודי הרביעי - כוח הכבידה - במסגרת התאוריה של הכול.

יוון העתיקה עד לאיינשטיין

מאז ימי יוון העתיקה, פילוסופים שיערו כי מגוון המראות מסתיר אחדות כלשהי - כך שרשימת הכוחות היא קצרה, ומכילה ערך אחד בלבד. לדוגמה- הפילוסופיה המכנית של המאה ה-17 (אשר טוענת כי את כל המתרחש ביקום ניתן להסביר בידי כוחות הטבע) גרסה כי את כל הכוחות אפשר להכניס תחת קטגוריית "כוחות מגע" בין חלקיקים מוצקים וזעירים. גישה זו ננטשה לאחר קבלת התאוריה של כוח המשיכה ארוך-הטווח של אייזק ניוטון- אך באותו זמן, עבודתו של ניוטון על ספרו פרינציפיה סיפקה את ההוכחה האמפירית הראשונה עבור האיחוד של כוחות שונים לכאורה: עבודתו של גלילאו על משיכה ארצית, חוקי קפלר לתנועת כוכבי-הלכת, וההסבר עבור גאות ושפל- כולם הוסברו בצורה כמותית בידי חוק אחד ויחיד- חוק הכבידה האוניברסלי.

ב-1820 גילה הנס כריסטיאן ארסטד קשר מסוים בין חשמל למגנטיות ובכך החל עשורים שלמים של עבודה, שגולת הכותרת שלה עתידה להיות התאוריה האלקטרומגנטית של ג'יימס קלארק מקסוול. כמו כן במהלך המאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20, ניכר בהדרגה כי תופעות שכיחות של כוחות- כוחות מגע, אלסטיות, צמיגות, חיכוך, לחץ - נבעו למעשה מפעולות גומלין חשמליות בין החלקיקים הקטנים ביותר של החומר. בשנות ה-20 המאוחרות של המאה ה-20, מכניקת הקוונטים החדישה הראתה כי קשרים כימיים בין אטומים הם דוגמאות לכוחות חשמליים (לפי קוואנטים) - דבר אשר הצדיק אפוא את התרברבותו של פול דיראק שלפיה "החוקים הפיזיקליים הנדרשים, עבור תאוריות מתמטיות של חלק גדול מהפיזיקה - וכל כולה של הכימיה - ידועים לחלוטין".

את הניסיונות לאחד את תאוריית הכבידה עם תאוריית האלקטרומגנטיות ניתן לתארך אחורה, לפחות עד ניסוייו של מייקל פאראדיי אשר התבצעו ב-1849-50. לאחר שהשקפתו של אלברט איינשטיין על כבידה (תורת היחסות הכללית) פורסמה ב-1915, החיפוש אחר "תאוריית שדה מאוחדת" החל ביתר מאמץ.

בתקופה זו, היה זה לכאורה סביר כי לא קיימים כוחות יסודיים אחרים (מלבד כבידה ואלקטרומגנטיות). התורמים העיקריים לפיתוח התאוריה של הכול היו גונר נורדסטרום, הרמן וייל, ארתור אדינגטון, תיאודור קלוצה, אוסקר קליין והבולטים מכולם: איינשטיין ועוזריו. בשנותיו האחרונות, עמל אלברט איינשטיין רבות כדי למצוא תאוריה מאחדת שכזו, אך לא הצליח בכך.

המבנה של התאוריה המאוחדת הגדולה

התאוריה של הכל

כבידה קוונטית

יחסות כללית

כוח אלקטרו-גרעיני

המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה

המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים

הכוח הגרעיני החזק

הכוח האלקטרו-חלש

הכוח הגרעיני החלש

הכוח האלקטרומגנטי

חשמל

מגנטיות

תורת השדות הקוונטית

התורה הפיזיקלית המתקדמת ביותר הקיימת כיום אשר מתקרבת צעד נוסף לחזון התאוריה של הכול ושאוששה בניסויים היא תורת השדות הקוונטית. תורה זו מצליחה לאחד את תורת הקוונטים עם תורת היחסות הפרטית, מצליחה לתאר את החלקיקים השונים בטבע ולאחד שלושה מתוך ארבעת הכוחות היסודיים בטבע בעזרת תורות כיול (הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש). לפי תורת השדות הקוונטית הדבר הבסיסי ביותר אינו חומר, אנרגיה או כוח אלא שדה. ישנם שדות שיוצרים את חלקיקי החומר ושדות שיוצרים את הכוחות היסודיים בטבע. הכוח היסודי הרביעי המוכר כיום - כוח הכבידה, המתואר בעזרת תורת היחסות הכללית, הוא הכוח היחיד שאי אפשר לקבל בעזרת תורת השדות הקוונטית. כאשר מנסים לתאר את שדה הגרביטציה מקבלים פתרונות מתבדרים לאינסוף שאינם ניתנים לסילוק ולכן אינם מייצגים נכונה את כוח הכובד (שאינו אינסופי). השאלה כיצד לתאר בעזרת תורת השדות הקוונטית את כוח הכבידה היא אחת מהבעיות המרכזיות כיום בפיזיקה. תורת המיתרים היא דוגמה לתאוריה המנסה לפתור בעיה זו ולהגשים את חזון התאוריה של הכול, אך עדיין איננו יודעים האם גישה זו נכונה.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא תאוריה מאוחדת גדולה בוויקישיתוף

• The Elegant Universe, Nova online - סרט בן 3 שעות על תורת המיתרים והתאוריה של הכול (באנגלית)
• 'Theory of Everything' סרט נוסף על התאוריה של הכול (באנגלית)
• תיאוריה שלימה מאוחדת (פיזיקה גרעינית), דף שער בספרייה הלאומית