Teorian rakenne ja tulevaisuus

Yhtenäisteoriat

1960-luvulla Weinberg, Salam ja Glashow yhdistivät Sähkö- ja heikon vuorovaikutuksen käyttäen Higgsin mekanismia. Sähköheikkoteoria on osoittautunut täysin renormalisoituvaksi. Renormalisaatio on matemaattinen keino, jolla äärettömyyteen johtavat lausekkeet pystytään tulkitsemaan fysikaalisesti reaalisisiksi.

Sähköheikon teorian ja vahvan vuorovaikutuksen yhdistettyä teoriaa kutsutaan GUT:iksi (great unified theory). GUT:in ja gravitaation yhdistelmää kutsutaan TOE:ksi (theory of everything).

Vaikka sähköheikkoteoria ja QCD kuvaavatkin tarkasti perushiukkasten välisiä vuorovaikutuksia, ei käytännössä hiukkasten ennustaminen ole yksinkertaista. Yleisten analyyttisten ratkaisujen sijaan, joudutaan käyttämään numeerisia ennustuksia, jotka aikaansaadaan simuloimalla yksinkertaistetuilla malleilla tietokoneilla.

Higgsin fysiikka

Perusmuodossaan standardimalli on vain massattomien hiukkasten oppi. Gluoneilla ja fotoneilla ei ole massaa, mutta muilla hiukkasilla on. Jos massat sijoitettaisiin yhtälöihin, laskelmat alkaisivat tuottaa äärettömiä arvoja monille tavallisillekin mittaustuloksille. Teoria ei olisi renormalisoituva. Teoriaa voi kuitenkin muuttaa lisäämällä siihen uudenlaisen kentän, niin sanotun higgsin kentän. Se ei muuta massattoman teorian perusrakennetta ja teoria on edelleen renormalisoituva. Niinpä sillä voidaan laskea kaikki kokeelliset suureet. Teorian mukaan hiukkasten massat syntyvät kun ne reagoivat higgsin kentän kanssa. Higgsin kentän kvantti on higgsin bosoni.

Higgsin bosonin etsintä on nykyisen hiukkasfysiikan suurimpia haasteita. Jos onnistuttaisiin löytämään yksi higgsin bosoni jonka massa on alle TeV:n, se tekisi hikkasfysiikasta matemaattisesti yhtenäisen. Tämä ei olisi kuitenkaan riittävä tulos, sillä se ei selittäisi massan syntymistä. Se ei teknisistä syistä olisi kovin tyydyttävä tulos myöskään kaiken teorian kannalta.

Tästä johtuen suurin osa fyysikoista uskoo, että yhden hiukkasen sijasta tullaan löytämään kokonaan uusi dynamiikka, kun liikutaan TeV:n massoissa.

Supersäikeet

Supersäie-mallissa hiukkaset kuvataan pistemäisten hiukkasten sijasta 'lenkkeinä' 10- tai useampi uloitteisessa avaruudessa. Muut kuin meille tutut 4 ulottuvuutta (3 avaruutta ja aika) ovat kuroutuneet Planckin etäisyyden pituiseksi avaruudeksi, ja siksi havaitsemme vain meille tutut ulottuvuudet. Vaikka alkuun säieteoria joutui vaikeuksiin ennustaessaan mm. valoa nopeampia takyoneja, on säieteoria lupaava kun siihen yhdistetään supersymmetria (säieteoria + supersymmetria = supersäieteoria). Matemaattisesti supersäikeet ovat monimutkaisia, ja vielä on liian aikaista sanoa voisiko teoria kaikesta olla supersäieteoria.

Yleinen suhteellisuusteoria

Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria kuvaa neljättä perusvuorovaikutusta, gravitaatiota. Kun standardimallin neljä muuta voimaa on puettu kvanttikenttäteorian muotoon, gravitaatio on perheen musta vuorovaikutus.

Einsteinin teoriassa gravitaatio kuvataan eräänlaisena massan aiheuttamana avaruuden kaareutumisena. Kappaleet kulkevat suoraa, geodeettistä viivaa kaarevassa avaruudessa. Suhteellisuusteoria on todennettu kokeellisesti, sillä se ennustaa monia ilmiöitä joita mikään muu teoria ei: gravitaatioaallot, gravitaatiopunasiirtymä, jne.

Matemaattisesti yleinen suhteellisuusteoria on suppeaa pikkuveljeään huomattavasti monimutkaisempi: Newtonin mekaniikassa käytetään 3-ulotteisia vektoreita, suppeassa suhteellisuusteoriassa 4-ulotteisia vektoreita mutta yleisessä suhteellisuusteoriasas käytetään tensorilaskentaa. Tensorit ovat monimutkaisia matemaattisia objekteja, joiden ominaisuuksiin kuuluu tietyn tyyppinen invarianssi.