統一場理論

既知の4つの基本力はすべて場によって媒介される。素粒子物理学の標準模型では、これらのうち3つはゲージボソンの交換によって生じる。それらは以下の通りである。

• 強い相互作用：クォークを結合させてハドロンを形成し、中性子と陽子を結合させて原子核を形成する相互作用。この力を媒介する交換粒子はグルーオンである。
• 電磁相互作用：電荷を帯びた粒子に作用する、よく知られた相互作用。光子はこの力の交換粒子である。
• 弱い相互作用：電子、ニュートリノ、クォークに作用する短距離相互作用で 、放射能の一部を引き起こす。WボソンとZボソンによって媒介される。

一般相対性理論も同様に、重力を時空の形状を記述する計量テンソル場の結果として説明している。

• 重力相互作用：すべての粒子に作用する長距離引力相互作用。一般相対性理論の仮説的な量子版では、想定される交換粒子は重力子と名付けられている。

標準模型では、「物質」粒子（電子、クォーク、ニュートリノなど）はスピノル場の量子として記述される。ゲージボソン場も量子を持ち、例えば電磁場における光子などが挙げられる。

標準模型には、ヒッグス場と呼ばれる独自の基本スカラー場があり、その量子はヒッグス粒子と呼ばれます。

最初の成功した古典的な統一場理論は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって開発されました。1820年、ハンス・クリスチャン・エルステッドは電流が磁石に力を及ぼすことを発見し、1831年にはマイケル・ファラデーが時間的に変化する磁場が電流を誘起できることを観察しました。それまで、電気と磁気は無関係な現象と考えられていました。1864年、マクスウェルは電磁場の動的理論に関する有名な論文を発表しました。これは、それまで別個の場理論（すなわち電気と磁気）を包含し、電磁気学の統一理論を提供することができた最初の理論の例でした。1905年までに、アルバート・アインシュタインはマクスウェルの理論における光速不変性を利用して、空間と時間の概念を、現在私たちが時空と呼ぶ実体に統一しました。 1915年、彼はこの特殊相対性理論を拡張し、重力の記述である一般相対性理論を提唱した。この理論では、場を用いて4次元（4D）時空の湾曲した幾何学を記述した。

一般理論の創設後、多数の物理学者と数学者が、当時知られていた基本的な相互作用を統一しようとする試みに熱心に参加した。^{[ 6 ]}この分野におけるその後の発展を考えると、特に興味深いのは、古典場理論に（電磁）ゲージ場の概念を導入した1919年のヘルマン・ワイルの理論^{[ 7 ]}と、その2年後に一般相対性理論を5次元に拡張したテオドール・カルツァの理論である。^{[ 8 ]}この後者の方向を継続して、オスカー・クラインは1926年に、4番目の空間次元が小さく観測されない円に丸められていることを提案した。カルツァ＝クライン理論では、余剰空間方向の重力曲率は、電磁気力に似た追加の力として振る舞う。これらの電磁気力と重力の他のモデルは、アルベルト・アインシュタインが古典的な統一場理論を試みる際に追求された。 1930年までに、アインシュタインはすでにアインシュタイン・マクスウェル・ディラック系[Dongen]を検討していた。この系は（直感的に）（数学的に明確に定義されていない）量子電磁力学の超古典的[Varadarajan]極限である。この系を弱い核力と強い核力を含むように拡張すると、アインシュタイン・ヤン・ミルズ・ディラック系が得られる。フランスの物理学者マリー・アントワネット・トネラは、 1940年代初頭に、一般相対性理論と量子力学を統一しようとして、量子化されたスピン2場の標準交換関係に関する論文を発表した。彼女は第二次世界大戦後、エルヴィン・シュレーディンガーと共同でこの研究を続けた。1960年代には、メンデル・ザックスが、繰り込みや摂動論に頼る必要のない、一般に共変な場の理論を提案した。1965年、トネラは統一場の理論の研究状況に関する本を出版した。

1963年、アメリカの物理学者シェルドン・グラショーは、弱い核力、電気、磁気は部分的に統一された電弱理論から生じる可能性があると提唱した。1967年、パキスタンのアブドゥス・サラムとアメリカのスティーブン・ワインバーグは、ヒッグス機構による自発的対称性の破れによってW粒子とZ粒子の質量が生じるというグラショーの理論をそれぞれ独立に修正した。この統一理論は、電弱相互作用を4つの粒子によって媒介される力としてモデル化した。すなわち、電磁気的側面を担う光子、中性のZ粒子、そして弱い側面を担う2つの荷電W粒子である。自発的対称性の破れの結果、弱い力は短距離となり、WボソンとZボソンはそれぞれ80.4とそれぞれ91.2  GeV/c ²である。彼らの理論は、1973 年に弱い中性カレントが発見されたことで初めて実験的に裏付けられた。1983 年に、Z ボソンと W ボソンは、カルロ・ルビアのチームによってCERNで初めて生成された。グラショウ、サラム、ワインバーグは、その洞察に対して 1979 年にノーベル物理学賞を受賞した。カルロ・ルビアとサイモン・ファン・デル・メールは、 1984 年に同賞を受賞した。

ジェラルドゥス・ト・フーフトがグラショウ・ワインバーグ・サラムの電弱相互作用が数学的に整合していることを示した後、電弱理論は力を統一しようとするさらなる試みのひな形となった。1974年、シェルドン・グラショウとハワード・ジョージは、強い相互作用と電弱相互作用を統一したジョージ・グラショウ・モデル、すなわち最初のグランド・ユニファイド理論を提案した。この理論は、100 GeVをはるかに超えるエネルギーに対して観測可能な効果をもたらすものであった。

それ以来、より大きな統一群を含む大統一理論の提案が数多くなされてきた。これらの理論は自己矛盾はないものの、バリオン非対称性問題や、現在ダークマターに起因するとされる質量欠損といった、宇宙論における未解決問題の解決策は、どの提案からも得られていない。こうした理論の実験的検証には、現在の加速器では到底及ばないエネルギー規模が必要となるため、宇宙論以外の経験的証拠は理論の指針とはなり得ない。^{[ 9 ]： 310}

大統一理論は、強い力、弱い力、電磁力の相対的な強さを予測し、1991年にLEPは、超対称理論がGeorgi–Glashow大統一理論の正しい結合比を持っていることを決定しました。多くの大統一理論（ただしPati–Salam理論は除く）は、陽子が崩壊する可能性があると予測しており、これが観測されれば、崩壊生成物の詳細から大統一理論のより多くの側面に関するヒントが得られる可能性があります。陽子が崩壊するかどうかは現在不明ですが、実験ではその寿命の下限が10 ³⁵年であることが決定されています。

理論物理学者たちは、一般相対性理論と量子力学を統合して万物の理論を構築する、広く受け入れられる一貫性のある理論をまだ確立できていない。重力子を強い相互作用や電弱相互作用と組み合わせようとすると根本的な困難が生じ、結果として得られる理論は繰り込み不可能となる。この二つの理論の非互換性は、物理学分野における未解決の難題として残っている。