Просмотр кода страницы Теория Калуцы — Клейна

'''Теория Калуцы — Клейна''' — одна из многомерных [[Теории гравитации|теорий гравитации]], позволяющая объединить два фундаментальных физических взаимодействия: [[гравитация|гравитацию]] и [[электромагнетизм]]. Теория была впервые опубликована в [[1921 год в науке|1921 году]] немецким математиком [[Калуца, Теодор Франц Эдуард|Теодором Калуцей]], который расширил [[пространство Минковского]] до 5-мерного пространства и получил из уравнений своей теории уравнения [[Общая теория относительности|общей теории относительности]] и классические [[уравнения Максвелла]]. Обоснование ненаблюдаемости пятого измерения (его компактность) было предложено шведским физиком [[Клейн, Оскар|Оскаром Клейном]] в [[1926 год в науке|1926 году]]<ref>{{Книга:Физическая энциклопедия|2 | автор = А. А. Старобинский| статья = Калуцы — Клейна теория | ссылка = http://femto.com.ua/articles/part_1/1480.html | страницы = }}</ref>.

Эта теория была одной из первых успешных теорий, положивших начало геометрической интерпретации [[Калибровочная инвариантность|калибровочных полей]] (а именно единственного хорошо известного на момент её создания, кроме гравитации, электромагнитного поля). Также была первой успешной [[Теории Великого объединения|теорией объединения]], которая, хотя и не привела к экспериментально подтверждённым открытиям, но была внутренне непротиворечивой и идейно содержательной теорией, не противоречащей эксперименту.

Первоначальный вариант теории не включает других фундаментальных взаимодействий (сильного и слабого) не известных в то время, а также в ней не оказалось места для частиц с полуцелым спином. Но идея многомерных единых теорий поля с компактифицированными дополнительными пространствами нашла применение в современных теориях [[Суперсимметрия|суперсимметрии]], [[Супергравитация|супергравитации]] и [[Теория струн|суперструн]]<ref>{{БРЭ |статья= Калуцы — Клейна теория|автор= А. А. Старобинский|год= 2004|ref= |ссылка= https://old.bigenc.ru/physics/text/2037046|архив= https://web.archive.org/web/20230104001157/https://bigenc.ru/physics/text/2037046|архив дата= 2023-01-04}}</ref>.

== История ==
Геометрический подход в физике заложили [[Декарт, Рене|Р. Декарт]], [[Кант, Иммануил|И. Кант]] и [[Галилей, Галилео|Г. Галилей]]. Долгое время понятие искривления пространства не могло возникнуть в науке из-за доминирования представлений об однородности пространства и времени, которое основывалось на [[Аксиома параллельности Евклида|пятой аксиоме]] [[Евклид]]а и совпадало с повседневным опытом{{sfn|Владимиров|2009|с=11}}. Отказ от аксиомы параллельности прямых привёл [[Лобачевский, Николай Иванович|Н. И. Лобачевского]] к открытию новой (неевклидовой) геометрии в пространстве с [[геометрия Лобачевского|отрицательной кривизной]]. [[Риман, Бернхард|Б. Риман]] открыл другой тип неевклидовой геометрии с [[Риманова геометрия|положительной кривизной]], когда не существует ни одной параллельной прямой параллельной данной (геодезическая линий) проходящей через какую-либо точку не лежащую на данной прямой{{sfn|Владимиров|2009|с=15}}. Сферическая геометрия Римана описывает мир с конечным объёмом. [[Клиффорд, Уильям Кингдон|У. Клиффорд]] предсказал некоторые следствия сферической геометрии, рассмотрел представления о мире ползающего по сфере жука и задал вопрос о геометрии нашей Вселенной, и её связи с физикой:
{{цитата|спросим же себя, не можем ли и мы подобным образом рассматривать как изменение физического характера те действия, которые на самом деле обязаны своим происхождением изменениям в кривизне нашего пространства.   Не окажется ли, что все или некоторые из тех причин, которые мы называем физическими, свое начало ведут от геометрического строения нашего пространства?{{sfn|Владимиров|2009|с=16}}}}
Существенным предположением Клиффорда была догадка о связи электрического поля с геометрией пространства{{sfn|Владимиров|2009|с=17}}. Но учёные, занимающиеся поиском геометрического описания мира не могли прийти к построению общей теории относительности до включения времени как одной из координат нашего пространства, что продвигалось в работах [[Лоренц, Хендрик|Х. Лоренца]], [[Эйнштейн, Альберт|А. Эйнштейна]], [[Минковский, Герман|Г. Минковского]]{{sfn|Владимиров|2009|с=19}}. В 1913 году [[Гроссман, Марсель|М. Гроссман]] и А. Эйнштейн предположили, что гравитационное взаимодействие обусловлено искривлением 4-мерного пространства-времени. На рубеже 1915 и 1916 годов почти одновременно уравнения для гравитационного поля появились в работах А. Эйнштейна и [[Гильберт, Давид|Д. Гильберта]]{{sfn|Владимиров|2009|с=21—22}}.

Теоретическая физика описывает мир посредством математики, стремится найти универсальность в его законах. [[Ньютон, Исаак|Ньютон]] заметил, что гравитация, которая действует на яблоко — это та же самая гравитация, которая управляет движением небесных светил. Сегодня известны четыре фундаментальных взаимодействия, и современная теория рассматривает возможность описать все взаимодействия единым образом посредством привлечения высших размерностей{{sfn|Wesson|2006|p=1}}. В таком контексте квантовая теория поля в пятимерном пространстве (5D) — это естественное расширение [[Общая теория относительности|общей теории относительности]] (ОТО) [[Эйнштейн, Альберт|Эйнштейна]]{{sfn|Wesson|2006|p=1—2}}.

[[Нордстрём, Гуннар|Гуннар Нордстрём]] первым попытался объединить теорию гравитации с электромагнетизмом, привлекая пятое измерение, в 1914 году. Но в этом случае к электромагнитному векторному потенциалу была добавлена пятая компонента, представляющая собой ньютоновский гравитационный потенциал, так как его теория появилась раньше чем ОТО, и он не предполагал тензорную природу гравитационного потенциала{{sfn|Overduin & Wesson|1997|с=307}}, и позволяющая записать уравнения Максвелла в пяти измерениях<ref name="nrd">{{Cite journal|author=Nordström|first=Gunnar |title=On the possibility of unifying the gravitational and electromagnetic fields|journal = Phys. Zeitschr.|volume=15|pages=504—506|year=1914|arxiv=physics/0702221}}</ref><ref>{{cite web|author = Keskinen, Raimo|url = http://www.tieteessatapahtuu.fi/797/KESKINEN.pdf|lang = fi|title = Gunnar Nordström & Suomen Einstein|website = |publisher = |date = 2007-06-25|accessdate = 2021-07-10|archive-date = 2016-03-03|archive-url = https://web.archive.org/web/20160303182448/http://www.tieteessatapahtuu.fi/797/KESKINEN.pdf|deadlink = unfit}}</ref>.

Развитие пятимерной (5D) теории разделяют на три этапа. Первоначальная гипотеза принадлежит [[Калуца, Теодор|Теодору Калуце]], который отправил свои результаты Эйнштейну в 1919 году<ref>{{Cite book|last=Pais|first=Abraham|date=1982|title=Subtle is the Lord ...: The Science and the Life of Albert Einstein|url=https://archive.org/details/subtleislordscie00pais|pages=[https://archive.org/details/subtleislordscie00pais/page/n358 329]–330}}</ref> и опубликовал их в 1921 году<ref name="kal">{{Cite journal|author=Kaluza|first=Theodor|date=1921|title=Zum Unitätsproblem in der Physik|journal=Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. Berlin. (Math. Phys.)|pages=966–972|bibcode=1921SPAW.......966K}}</ref>. Калуца представил чисто классическое расширение [[Общая теория относительности|общей теории относительности]] на 5D с [[Метрический тензор|метрическим тензором]] из 15 компонент. 10 компонент отождествляются с четырёхмерной метрикой пространства-времени, четыре компоненты с электромагнитным векторным потенциалом и одна компонента с неидентифицированным [[Скалярное поле|скалярным полем]], которое Калуца не рассматривал, иногда называемое «[[Радион (физика)|радионом]]» или «дилатоном». Соответственно, 5D уравнения Эйнштейна дают 4D [[Уравнения Эйнштейна|уравнения Эйнштейна для поля]], [[уравнения Максвелла]] для [[Электромагнитное поле|электромагнитного поля]] и уравнение для скалярного поля. Калуца также ввёл гипотезу «цилиндрического условия», согласно которой ни одна из компонент пятимерной метрики не зависит явным образом от пятой координаты. Без этого предположения появляются слагаемые, включающие производные полей по пятой координате, которые, как и скалярное поле, не наблюдаются в экспериментах. Эта дополнительная степень свободы такова, что уравнения поля с зависимостью от пятой координаты становятся невероятно сложными. Стандартная физика в 4D проявляется при наложении цилиндрического условия, а соответствующая математика приобретает более простую форму{{sfn|Wesson|2006|p=3—4}}.

В 1926 году [[Клейн, Оскар|Оскар Клейн]] дал классической пятимерной теории Калуцы квантовую интерпретацию в соответствии с открытиями Гейзенберга и Шрёдингера<ref name="KZ">{{Cite journal|author=Klein|first=Oskar|date=1926|title=Quantentheorie und fünfdimensionale Relativitätstheorie|journal=[[Zeitschrift für Physik A]]|volume=37|issue=12|pages=895–906|doi=10.1007/BF01397481|bibcode=1926ZPhy...37..895K}}</ref><ref name="KN">{{Cite journal|author=Klein|first=Oskar|date=1926|journal=Nature|volume=118|issue=2971|pages=516|doi=10.1038/118516a0|title=The Atomicity of Electricity as a Quantum Theory Law|bibcode=1926Natur.118..516K}}</ref>. Кляйн выдвинул гипотезу о том, что пятое измерение свёрнуто и микроскопично, чтобы объяснить цилиндрическое условие, а циклическое движение в пятом измерении может естественным образом объяснить квантование заряда электрона{{sfn|Wesson|2006|p=5}}. Клейн предположил, что геометрия дополнительного пятого измерения может иметь форму круга с радиусом {{Val|e=−30|u=см}}. Клейн также внёс вклад в классическую теорию, предоставив должным образом нормализованную 5D-метрику<ref name=KN />. Работа над теорией поля Калуцы продолжалась в 1930-х годах Эйнштейном и его коллегами из Принстона{{sfn|Overduin & Wesson|1997|с=308}}.

Оригинальная теория Калуцы — Клейна рассматривается как неверная по нескольким причинам. В частности, компактификация пятого измерения приводит к выводу, что частицы, которые будут доминировать в мире, должны иметь планковские массы, что не наблюдается в эксперименте. Эта проблема известна как [[Проблема калибровочной иерархии|проблема иерархии масс]]. Игнорирование скалярного поля Калуцей также не оставляет способа объяснить наличие тёмной энергии в нашей Вселенной{{sfn|Wesson|2006|p=5}}. Также, по мнению Эйнштейна, цилиндрическое условие, которое является причиной возникновения масс, исключает геометрическую интерпретацию масс{{sfn|Wesson|2006|p=6}}.

В 1940-х годах классическая теория была завершена, и полные уравнения поля, включая скалярное поле, были получены тремя независимыми исследовательскими группами<ref name="gon">{{Cite journal|author=Goenner|first=H.|journal=General Relativity and Gravitation|date=2012|volume=44|issue=8|pages=2077–2097|arxiv=1204.3455|bibcode=2012GReGr..44.2077G|doi=10.1007/s10714-012-1378-8|title=Some remarks on the genesis of scalar–tensor theories}}</ref>: Тири<ref>{{Cite journal|author=Lichnerowicz|first=A.|date=1947|journal=Compt. Rend. Acad. Sci. Paris|volume=224|pages=529–531|title=Problèmes de calcul des variations liés à la dynamique classique et à la théorie unitaire du champ}}</ref><ref name="thry">{{Cite journal|author=Thiry|first=Y.|date=1948|journal=Compt. Rend. Acad. Sci. Paris|volume=226|pages=216–218|title=Les équations de la théorie unitaire de Kaluza}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Thiry|first=Y.|date=1948|title=Sur la régularité des champs gravitationnel et électromagnétique dans les théories unitaires|journal=Compt. Rend. Acad. Sci. Paris|volume=226|pages=1881–1882}}</ref>, работавший во Франции над диссертацией под руководством Лихнеровича; Йордан, Людвиг и Мюллер в Германии<ref name="jor1">{{Cite journal|author=Jordan|first=P.|journal=Naturwissenschaften|date=1946|volume=11|issue=8|pages=250–251|title=Relativistische Gravitationstheorie mit variabler Gravitationskonstante|bibcode=1946NW.....33..250J|doi=10.1007/BF01204481}}</ref><ref name="jor2">{{Cite journal|author=Jordan|first=P.|journal=Z. Naturforsch.|date=1947|volume=2a|issue=1|pages=1–2|title=Über die Feldgleichungen der Gravitation bei variabler "Gravitationslonstante"|bibcode=1947ZNatA...2....1J|doi=10.1515/zna-1947-0102}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Ludwig|first=G.|journal=Z. Naturforsch.|date=1947|volume=2a|issue=1|pages=3–5|title=Der Zusammenhang zwischen den Variationsprinzipien der projektiven und der vierdimensionalen Relativitätstheorie|bibcode=1947ZNatA...2....3L|doi=10.1515/zna-1947-0103|url=https://www.degruyter.com/view/journals/zna/2/1/article-p3.xml|access-date=2021-07-10|archive-date=2020-10-04|archive-url=https://web.archive.org/web/20201004201944/https://www.degruyter.com/view/journals/zna/2/1/article-p3.xml|url-status=live}}</ref><ref name="jor3">{{Cite journal|author=Jordan|first=P.|journal=Astron. Nachr.|date=1948|volume=276|issue=5–6|pages=193–208|bibcode=1948AN....276..193J|doi=10.1002/asna.19482760502|title=Fünfdimensionale Kosmologie}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Ludwig|first=G.|journal=Annalen der Physik|date=1948|volume=2|issue=6|pages=76–84|doi=10.1002/andp.19484370106|title=Ein Modell des Kosmos und der Sternentstehung|bibcode=1948AnP...437...76L}}</ref>, с критическим вкладом Паули и Фирца; и Шеррер<ref>{{Cite journal|author=Scherrer|first=W.|date=1941|journal=Helv. Phys. Acta|volume=14|issue=2|pages=130|title=Bemerkungen zu meiner Arbeit: "Ein Ansatz für die Wechselwirkung von Elementarteilchen"}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Scherrer|first=W.|date=1949|journal=Helv. Phys. Acta|volume=22|pages=537–551|title=Über den Einfluss des metrischen Feldes auf ein skalares Materiefeld}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Scherrer|first=W.|date=1950|journal=Helv. Phys. Acta|volume=23|pages=547–555|title=Über den Einfluss des metrischen Feldes auf ein skalares Materiefeld (2. Mitteilung)}}</ref>, работавший один в Швейцарии. Работа Йордана привела к скалярно-тензорной теории [[Теория Бранса — Дикке|Бранса — Дике]]<ref>{{Cite journal|author=Brans|first=C. H.|date=November 1, 1961|title=Mach's Principle and a Relativistic Theory of Gravitation|url=https://archive.org/details/sim_physical-review_1961-11-01_124_3/page/925|journal=[[Physical Review]]|volume=124|issue=3|pages=925–935|doi=10.1103/PhysRev.124.925|bibcode=1961PhRv..124..925B}}</ref>; Бранс и Дике, очевидно, не знали о Тири и Шеррере. Полные уравнения Калуцы с цилиндрическим условием довольно сложны, и большинство англоязычных обзоров, а также английские переводы Тири содержат некоторые ошибки. Тензоры кривизны для полных уравнений Калуцы были вычислены с использованием [[система компьютерной алгебры|компьютерной системы тензорной алгебры]] в 2015 году<ref name="LLW">{{Cite journal|author=Williams|first=L.L.|year=2015|title=Field Equations and Lagrangian for the Kaluza Metric Evaluated with Tensor Algebra Software|journal=Journal of Gravity|volume=2015|doi=10.1155/2015/901870|url=http://downloads.hindawi.com/archive/2015/901870.pdf|access-date=2021-07-10|archive-date=2021-06-30|archive-url=https://web.archive.org/web/20210630025325/https://downloads.hindawi.com/archive/2015/901870.pdf|url-status=live}}</ref>, проверяя результаты Феррари<ref name="fri">{{Cite journal|author=Ferrari|first=J.A.|year=1989|title=On an approximate solution for a charged object and the experimental evidence for the Kaluza-Klein theory|journal=Gen. Relativ. Gravit.|volume=21|issue=7|doi=10.1007/BF00759078|bibcode=1989GReGr..21..683F}}</ref> и Кокеро и Эспозито-Фарезе<ref name="coq">{{Cite journal|author=Coquereaux|first=R.|year=1990|title=The theory of Kaluza-Klein-Jordan-Thiry revisited|journal=Annales de l'Institut Henri Poincaré|volume=52}}</ref>. 5D ковариантная форма источника (тензора энергии-импульса) рассмотрена Уильямсом<ref name="LLW2">{{Cite journal|author=Williams|first=L.L.|year=2020|title=Field Equations and Lagrangian of the Kaluza Energy-Momentum Tensor|journal=Advances in Mathematical Physics|volume=2020|doi=10.1155/2020/1263723}}</ref>.

== Гипотеза Калуцы ==
В своей статье 1921 года<ref name="kal" /> Калуца использовал все элементы классической пятимерной теории: метрику, уравнения поля, уравнения движения, тензор энергии-импульса и цилиндрическое условие. Без использования [[Свободный параметр|свободных параметров]] он расширил общую теорию относительности до пяти измерений.

Начнём с гипотезы о форме пятимерной метрики. <math> \widetilde{g}_{ab}</math>, где латинские индексы охватывают пять измерений. Также введём четырёхмерную метрику пространства-времени <math> {g}_{\mu\nu}</math>, где греческие индексы охватывают обычные четыре измерения пространства и времени; 4-вектор <math> A^\mu </math> отождествляется с электромагнитным векторным потенциалом; и скалярное поле <math>\phi</math>{{sfn|Wesson|2006|p=13}}. Затем разделим 5D-метрику так, чтобы 4D-метрика была обрамлена электромагнитным векторным потенциалом со скалярным полем на пятой позиции в диагонали. Это можно представить как:

: <math>
\widetilde{g}_{ab} \equiv \begin{bmatrix}g_{\mu\nu} + \phi^2 A_\mu A_\nu & \phi^2 A_\mu \\ \phi^2 A_\nu & \phi^2\end{bmatrix}\,.
</math>

Точнее можно написать

: <math>
\widetilde{g}_{\mu\nu} \equiv g_{\mu\nu} + \phi^2 A_{\mu} A_{\nu}, \qquad
\widetilde{g}_{5\nu} \equiv \widetilde{g}_{\nu 5} \equiv \phi^2 A_{\nu}, \qquad
\widetilde{g}_{55} \equiv \phi^2\,,
</math>

где индекс <math>5</math> указывает пятую координату по соглашению, тогда как первые четыре координаты имеют индексы 0, 1, 2 и 3. Соответствующая обратная метрика

: <math>
\widetilde{g}^{ab} \equiv \begin{bmatrix}g^{\mu\nu} & -A^\mu \\ -A^\nu & g_{\alpha\beta}A^\alpha A^\beta + {1 \over \phi^2} \end{bmatrix}\,.
</math>

Это разложение является довольно общим, и все члены безразмерны. Затем Калуца применяет к этой метрике [[Общая теория относительности|аппарат стандартной общей теории относительности]]. Уравнения поля получены из пятимерных [[Уравнения Эйнштейна|уравнений Эйнштейна]], а уравнения движения — из пятимерной геодезической гипотезы. Полученные в результате уравнения поля дают уравнения как общей теории относительности, так и электродинамики; уравнения движения дают четырёхмерное [[Геодезическая|уравнение геодезической]] и [[Сила Лоренца|закон для силы Лоренца]]{{sfn|Wesson|2006|p=14}}, и обнаруживается, что электрический заряд отождествляется с движением в пятом измерении.

Метрическая гипотеза подразумевает, что существует инвариантный пятимерный [[элемент длины]] <math>\operatorname{d}\!s</math>{{sfn|Wesson|2006|p=13}}:

: <math>
\operatorname{d}\!s^2 \equiv \widetilde{g}_{ab}\operatorname{d}\!x^a \operatorname{d}\!x^b = g_{\mu\nu}dx^\mu \operatorname{d}\!x^\nu + \phi^2 \left(A_\nu \operatorname{d}\!x^\nu + \operatorname{d}\!x^5\right)^2\,.
</math>

== Уравнения поля из гипотезы Калуцы ==
Уравнения поля 5-мерной теории никогда не были правильно определены Калуцей или Клейном, потому что они игнорировали скалярное поле. Вывод полных уравнений поля Калуцы обычно приписываются Тири<ref name="thry" />, который получил уравнения поля в вакууме. Калуца<ref name="kal" /> первоначально выписал тензор энергии-импулься для своей теории, и Тири включил тензор энергии-импульса в свою диссертацию. Но, как описал Гоннер<ref name="gon" />, несколько независимых групп работали над уравнениями поля в 1940-х годах и ранее. Тири, возможно, наиболее известен только потому, что Эпплквист, Чодос и Фройнд опубликовали английский перевод его работы в их обзорной книге<ref>{{cite book |title=Modern Kaluza–Klein Theories |url=https://archive.org/details/modernkaluzaklei0000unse |last=Appelquist |first=Thomas |author2=Chodos, Alan |author3=Freund, Peter G. O.  |date=1987 |publisher=Addison–Wesley |location=Menlo Park, Cal. |isbn=978-0-201-09829-7 }}</ref>. Эпплквист и др. также опубликовали английский перевод статьи Калуцы. Работы Йордана не были переведены на английский язык<ref name="jor1" /><ref name="jor2" /><ref name="jor3" />. Первые правильные уравнения поля Калуцы на английском языке, включая скалярное поле, были получены Уильямсом<ref name="LLW" />.

Чтобы получить уравнения поля 5D, 5D символы Кристоффеля связности <math>\widetilde{\Gamma}^a_{bc} </math> рассчитываются по метрике 5D <math>\widetilde{g}_{ab} </math>, и 5D тензор Риччи <math>\widetilde{R}_{ab} </math> рассчитывается из 5D символов Кристоффеля связности.

Классические результаты Тири и других авторов получены при использовании цилиндрического условия:

: <math> {\partial \widetilde{g}_{ab}\over\partial x^5} = 0</math> .

Без этого предположения уравнения поля становятся намного более сложными, приводя к гораздо большему количеству степеней свободы, которые можно отождествить с различными новыми полями. Пол Вессон и его коллеги пытались ослабить цилиндрическое условие, чтобы получить дополнительные члены, которые можно отождествить с полями материи<ref>{{cite book |title=Space–Time–Matter, Modern Kaluza–Klein Theory |last=Wesson |first=Paul S. |date=1999 |publisher=World Scientific |location=Singapore |isbn=978-981-02-3588-8 |url-access=registration |url=https://archive.org/details/spacetimematterm0000wess }}</ref>, для которых Калуца<ref name="kal" /> вручную вставил тензор энергии-импульса.

Возражение к первоначальной идеи Калуцы заключалось в использовании пятого измерения, но без его динамики. Однако Тири утверждал<ref name="gon" />, что интерпретация закона для силы Лоренца в терминах 5-мерной геодезической сильно противоречит существованию пятого измерения независимо от цилиндрического условия. Поэтому большинство авторов использовали цилиндрическое условие при выводе уравнений поля. Кроме того, обычно предполагаются уравнения вакуума, для которых

: <math>\widetilde{R}_{ab} = 0</math>

где

: <math>\widetilde{R}_{ab} \equiv \partial_c \widetilde{\Gamma}^c_{ab} - \partial_b \widetilde{\Gamma}^c_{ca} + \widetilde{\Gamma}^c_{cd}\widetilde{\Gamma}^d_{ab} - \widetilde{\Gamma}^c_{bd}\widetilde{\Gamma}^d_{ac}</math>

и

: <math>\widetilde{\Gamma}^a_{bc}\equiv {1\over 2} \widetilde{g}^{ad} \left(\partial_b \widetilde{g}_{dc} + \partial_c \widetilde{g}_{db} - \partial_d \widetilde{g}_{bc}\right) </math>

Уравнения вакуумного поля, полученные таким образом Тири<ref name="thry" /> и группой Йордана<ref name="jor1" /><ref name="jor2" /><ref name="jor3" />, выписаны ниже.

Уравнение поля для <math>A^\nu</math> получается из

: <math>\widetilde{R}_{55} = 0 \Rightarrow \Box \phi = {1\over 4} \phi^3 F^{\alpha\beta}F_{\alpha\beta}</math>

где <math>F_{\alpha\beta} \equiv \partial_\alpha A_\beta - \partial_\beta A_\alpha</math>, <math>\Box \equiv g^{\mu\nu}\nabla_\mu \nabla_\nu </math>, и <math> \nabla_{\mu} </math> — стандартная четырёхмерная ковариантная производная. Уравнение показывает, что электромагнитное поле является источником скалярного поля. Обратите внимание, что скалярное поле нельзя считать постоянным без наложения соответствующего ограничения на электромагнитное поле. В более ранних трактовках Калуцы и Клейна не было адекватного описания скалярного поля и не учитывалось возникающее ограничение на электромагнитное поле, в предположении постоянного скалярного поля.

Полевое уравнение для четырёхмёрного тензора Риччи <math>R_{\mu\nu}</math> получается из

: <math>\widetilde{R}_{5\alpha} = 0 = {1\over 2} g^{\beta\mu} \nabla_\mu \left(\phi^3 F_{\alpha\beta}\right)</math>

Если скалярное поле постоянно, то оно имеет форму вакуумных уравнений Максвелла.

: <math>\begin{align}
 \widetilde{R}_{\mu\nu} - {1\over 2}\widetilde{g}_{\mu\nu} \widetilde{R} &= 0 \Rightarrow \\
 R_{\mu\nu} - {1\over 2} g_{\mu\nu} R &= {1\over 2} \phi^2 \left(g^{\alpha\beta} F_{\mu\alpha} F_{\nu\beta} - {1\over 4}g_{\mu\nu}F_{\alpha\beta} F^{\alpha\beta}\right) + {1\over \phi} \left(\nabla_\mu \nabla_\nu \phi - g_{\mu\nu}\Box\phi\right)
\end{align}</math>

где <math>R</math> — стандартный 4D скаляр Риччи.

Из этого уравнения следует замечательный результат, названный [[Абдус Салам|А. Саламом]] «чудом Калуцы»{{sfn|Владимиров|2012|с=16}} — точная форма [[Тензор энергии-импульса#Тензор энергии-импульса в классической электродинамике|тензора энергии-импульса электромагнитного поля]] возникает из 5D вакуумных уравнений в качестве источника в 4D уравнениях — поле из вакуума. Другое чудо включает объяснение калибровочной инвариантности<ref>{{книга
 |автор         = Nugayev Rinat M.
 |часть         = Space-Time Dimension Problem as a Stumbling Block of Inflationary Cosmology
 |ссылка часть  = https://philarchive.org/archive/NUGSDPv1
 |заглавие      = Metauniverse, Space, Time
 |язык          = ru
 |ответственный = Vadim V. Kazutinsky, Elena A. Mamchur, Alexandre D. Panov & V. D. Erekaev (eds.)
 |издательство  = Institute of Philosophy of RAS
 |год           = 2013
 |pages         = 52—73
 |ref           = Nugayev
}}</ref>. Вид тензора энергии-импульса электромагнитного поля позволяет окончательно отождествить <math>A^\mu</math> с электромагнитным векторным потенциалом. Для этого поле необходимо масштабировать с помощью константы преобразования <math>k</math>: <math>A^\mu \rightarrow kA^\mu</math>.
Приведённое выше соотношение показывает, что константа должна иметь вид

: <math>{k^2\over 2} = {8\pi G\over c^4} {1\over \mu_0} = {2G\over c^2} {4\pi \epsilon_0}</math>

где <math>G</math> — [[гравитационная постоянная]] и <math>\mu_0</math> — [[Магнитная постоянная|магнитная проницаемость свободного пространства]]. В теории Калуцы гравитационную постоянную можно понимать как константу электромагнитной связи в метрике. Также существует тензор энергии-импульса для скалярного поля. Скалярное поле ведёт себя как переменная гравитационная константа с точки зрения модуляции связи тензора энерги-импульса электромагнитного поля с кривизной пространства-времени. Знак <math>\phi^2</math> в метрике фиксируется в соответствии с теорией 4D, так что плотности электромагнитной энергии положительны. Часто предполагается, что пятая координата пространственноподобна по своей сигнатуре в метрике.

В присутствии вещества условие 5D-вакуума нарушается. Действительно, Калуца этого не предполагал. Полные уравнения поля требуют вычисления 5D тензора Эйнштейна

: <math> \widetilde{G}_{ab} \equiv \widetilde{R}_{ab} - {1\over 2}\widetilde{g}_{ab}\widetilde{R}</math>

как видно из восстановления тензора энергии-импульса электромагнитного поля выше. Тензоры кривизны 5D сложны, и большинство англоязычных обзоров содержат ошибки либо в <math> \widetilde{G}_{ab}</math> или же <math> \widetilde{R}_{ab}</math>, как и их английские переводы<ref name="thry" />. См. работу Вильямса<ref name="LLW" /> для получения полного набора 5D тензоров кривизны с цилиндрическим условием, посчитанных с помощью программы тензорной алгебры.

== Уравнения движения из гипотезы Калуцы ==
Уравнения движения получены из пятимерной геодезической гипотезы<ref name="kal" /> в терминах 5-скорости <math>\widetilde{U}^a \equiv dx^a/ds</math>:

: <math>
\widetilde{U}^b \widetilde{\nabla}_b \widetilde{U}^a = {d\widetilde{U}^a\over ds} + \widetilde{\Gamma}^a_{bc} \widetilde{U}^b \widetilde{U}^c = 0
</math>

Это уравнение можно преобразовать несколькими способами, и оно было изучено в различных формах авторами, включая Калуцу<ref name="kal" />, Паули<ref>{{Cite book|last=Pauli|first=Wolfgang|title=Theory of Relativity|url=https://archive.org/details/theoryofrelativi00paul|date=1958|pages=Supplement 23}}</ref>, Гросса и Перри<ref>{{Cite journal|author=Gross|first=D.J.|journal=Nucl. Phys. B|date=1983|volume=226|issue=1|pages=29–48|doi=10.1016/0550-3213(83)90462-5|title=Magnetic monopoles in Kaluza–Klein theories|bibcode=1983NuPhB.226...29G}}</ref>, Гегенберга и Кунстаттера<ref>{{Cite journal|author=Gegenberg|first=J.|title=The motion of charged particles in Kaluza–Klein space–time|journal=Phys. Lett.|date=1984|volume=106A|issue=9|bibcode=1984PhLA..106..410G|doi=10.1016/0375-9601(84)90980-0}}</ref> и Вессона и Понсе де Леона<ref>{{Cite journal|author=Wesson|first=P.S.|title=The equation of motion in Kaluza–Klein cosmology and its implications for astrophysics|journal=Astronomy and Astrophysics|date=1995|volume=294|bibcode=1995A&A...294....1W}}</ref>, но для лучшего понимания полезно преобразовать его обратно в обычный четырёхмерный [[элемент длины]] <math>c^2d\tau^2 \equiv g_{\mu\nu} dx^\mu dx^\nu</math>, который связан с 5-мерным элементом длины <math>ds</math>, как указано выше:

: <math>
ds^2 = c^2 d\tau^2 + \phi^2 \left(kA_\nu dx^\nu + dx^5\right)^2
</math>

Тогда 5D геодезическое уравнение можно записать<ref>{{Cite journal|author=Williams|first=L.L.|date=2012|journal=Proceedings of 48th AIAA Joint Propulsion Conference|volume=AIAA 2012-3916|doi=10.2514/6.2012-3916|url=https://semanticscholar.org/paper/60a364d1fbef52410dbf5f7d89d6e0a805de934f|title=Physics of the Electromagnetic Control of Spacetime and Gravity}}</ref> для пространственно-временных компонент 4-скорости,

: <math>\begin{align}
 &U^\nu \equiv {dx^\nu \over d\tau} \\
 &{dU^\nu \over d\tau} + \widetilde{\Gamma}^\mu_{\alpha\beta} U^\alpha U^\beta + 2 \widetilde{\Gamma}^\mu_{5\alpha} U^\alpha U^5 + \widetilde{\Gamma}^\mu_{55} \left(U^5\right)^2 + U^\mu {d \over d\tau}\ln \left( {cd\tau \over ds} \right) = 0
\end{align}</math>

Слагаемое, квадратичное по <math>U^\nu</math>, приводит к 4D уравнению геодезической плюс некоторые электромагнитные слагаемые:

: <math>
\widetilde{\Gamma}^\mu_{\alpha\beta} = \Gamma^\mu_{\alpha\beta} + {1 \over 2} g^{\mu\nu}k^2 \phi^2 \left(A_{\alpha} F_{\beta\nu} + A_\beta F_{\alpha\nu} - A_\alpha A_\beta \partial_\nu \ln \phi^2 \right)
</math>

Член, линейный по <math>U^\nu</math>, приводит к [[Сила Лоренца|закону для силы Лоренца]]:

: <math>
\widetilde{\Gamma}^\mu_{5\alpha} = {1 \over 2} g^{\mu\nu} k\phi^2 \left(F_{\alpha\nu} - A_\alpha \partial_\nu \ln \phi^2\right)
</math>

Это ещё одно выражение «чуда Калуцы». Та же самая гипотеза для 5D-метрики, из которой получается тензор энергии-импульса электромагнитного поля в уравнениях Эйнштейна, также даёт закон силы Лоренца в уравнении движения наряду с 4D уравнением геодезической. Однако соответствие закону силы Лоренца требует, чтобы компонента 5-скорости вдоль пятого измерения отождествлялась с электрическим зарядом:

: <math>
kU^5 = k \frac{dx^5}{d\tau} \rightarrow {q\over mc}
</math>

где <math>m</math> — масса частицы и <math>q</math> — электрический заряд частицы. Таким образом, электрический заряд понимается как движение по пятому измерению. Тот факт, что закон силы Лоренца может быть понят как геодезическая в 5-ти измерениях, был для Калуцы основной мотивацией для рассмотрения 5-мерной гипотезы даже при наличии эстетически неприятного цилиндрического условия.

Но есть проблема: слагаемое, квадратичное по <math>U^5</math>, приводит к уравнению

: <math>
\widetilde{\Gamma}^\mu_{55} = -{1\over 2}g^{\mu\alpha}\partial_\alpha \phi^2
</math>

Если в скалярном поле отсутствует градиент, то слагаемое, квадратичное по <math>U^5</math>, исчезает. Но в противном случае из приведённого выше выражения следует

: <math>U^5 \sim c {q/m \over G^\frac{1}{2}}
</math>

Для элементарных частиц <math>U^5 > {\rm 10}^{20} c</math> . Слагаемое квадратичное по <math>U^5</math> должно доминировать в уравнении, возможно, в противоречии с опытными фактами. Это был главный недостаток 5-мерной теории, как её видел Калуца<ref name="kal" />, который он рассматривал в своей оригинальной статье. [[Владимиров, Юрий Сергеевич|Ю. С. Владимиров]] выделяет следующие недостатки теории: не ясен физический смысл пятой компоненты и <math>G_{55}</math>-компоненты метрического тензора; не ясна причина возникновения цилиндрического условия; такое объединение формально и не даёт новых экспериментально проверяемых предсказаний и другие{{sfn|Владимиров|1987|с=45—46}}.

Уравнение движения для <math>U^5</math> особенно упрощается при цилиндрическом условии. Начнём с альтернативной формы уравнения геодезических, записанного для ковариантной 5-скорости:

: <math>
{d\widetilde{U}_a\over ds} = {1 \over 2} \widetilde{U}^b \widetilde{U}^c {\partial \widetilde{g}_{bc}\over\partial x^a}
</math>

Это означает, что при учёте цилиндрического условия <math>\widetilde{U}_5</math> — константа 5-мерного движения:

: <math>
\widetilde{U}_5 = \widetilde{g}_{5a}\widetilde{U}^a = \phi^2 {cd\tau \over ds} \left(kA_\nu U^\nu + U^5\right) = {\rm constant}
</math>

== Гипотеза Калуцы о тензоре энергии-импульса материи ==
Калуца<ref name="kal" /> предложил использовать 5D тензор энергии-импульса материи <math>\widetilde{T}_M^{ab}</math> в виде

: <math>\widetilde{T}_M^{ab} = \rho {dx^a\over ds} {dx^b\over ds}</math>

где <math>\rho</math> — это плотность и [[элемент длины]] <math>ds</math> определённый выше.

Тогда пространственно-временная компонента даёт типичный тензор энергии-импульса {{iw|пылевая материя|пылевой материи|en|Null dust solution}}:

: <math>
\widetilde{T}_M^{\mu\nu} = \rho {dx^\mu\over ds} {dx^\nu\over ds}
</math>

Смешанная часть служит как 4-токовый источник для уравнений Максвелла:

: <math>
\widetilde{T}_M^{5\mu} = \rho {dx^\mu\over ds} {dx^5\over ds} = \rho U^\mu {q\over kmc}
</math>

Подобно тому, как пятимерная метрика включает 4-мерную метрику, обрамлённую электромагнитным векторным потенциалом, 5-мерный тензор энергии-импульса включает 4-мерный тензор энергии-импульса, обрамлённый векторным 4-током.

== Квантовая интерпретация Клейна ==
Первоначальная гипотеза Калуцы была чисто классической и расширяла общую теорию относительности. Ко времени вклада Клейна, открытия Гейзенберга, Шредингера и де Бройля привлекали большое внимание. В статье Клейна в журнале ''Nature''<ref name="KN" /> высказано предположение, что пятое измерение является замкнутым и периодическим, и что отождествление электрического заряда с движением в пятом измерении можно интерпретировать как стоячие волны с длиной волны <math>\lambda^5</math> подобно электронам вокруг ядра в модели атома Бора. Тогда квантование электрического заряда можно было бы хорошо понять в терминах целых величин, кратных пятимерному импульсу. Комбинируя предыдущий результат Калуцы для <math>U^5</math> в терминах электрического заряда и соотношения де Бройля для импульса <math>p^5 = h/\lambda^5</math>, Клейн получил выражение для 0-й моды таких волн:

: <math>
mU^5 = {cq \over G^\frac{1}{2}} = {h \over \lambda^5} \quad \Rightarrow \quad \lambda^5 \sim {hG^\frac{1}{2} \over cq}
</math>

где <math>h</math> — постоянная Планка. Клейн нашёл <math>\lambda^5 \sim {\rm 10}^{-30}</math> см, и тем самым объяснение цилиндрического условия при таком малом значении.

В статье Клейна в журнале ''Zeitschrift für Physik'' того же года<ref name="KZ" /> даётся более подробное рассмотрение, в котором явно используются методы Шрёдингера и де Бройля. Она воспроизводила большую часть классической теории Калуцы, описанной выше, а затем перешла к квантовой интерпретации Клейна. Клейн решил волновое уравнение, подобное уравнению Шрёдингера, используя разложение по пятимерным волнам, резонирующим в замкнутом, компактном пятом измерении.

== Интерпретация теории групп ==
[[Файл:Kaluza_Klein_compactification.svg|слева|обрамить| Пространство ''М'' × ''С'' компактифицируется над компактным множеством ''С,'' а после разложения Калуцы-Клейна получается [[эффективная теория поля]] над М.]]
В 1926 году Оскар Клейн предположил, что четвёртое пространственное измерение свёрнуто в круг с очень маленьким [[радиус]]ом, так что [[Фундаментальная частица|частица]], перемещающаяся на небольшое расстояние вдоль этой оси, вернётся в начальную точку. Расстояние, которое может пройти частица, прежде чем она достигнет своего начального положения, называется размером измерения. Это дополнительное измерение представляет собой [[Компактное пространство|компактное множество]], и построение этого компактного измерения называется [[Компактификация (физика)|компактификацией]].

В современной геометрии дополнительное пятое измерение можно понимать как группу [[U(1)]], поскольку [[электромагнетизм]] по существу можно сформулировать как [[Калибровочная инвариантность|калибровочную теорию]] на [[Локально тривиальное расслоение|расслоении]], [[расслоение на окружности]], с [[Калибровочная инвариантность|калибровочной группой]] U(1). В теории Калуцы — Клейна эта группа предполагает, что калибровочная симметрия — это симметрия круговых компактных пространств. Как только эта геометрическая интерпретация принята, относительно просто заменить что U(1) — общая [[группа Ли]]. Такие обобщения часто называют [[Теория Янга — Миллса|теориями Янга — Миллса]]. Если проводится различие, то теории Янга — Миллса возникают в плоском пространстве-времени, тогда как Калуца — Клейн рассматривает более общий случай искривлённого пространства-времени. Базовое пространство теории Калуцы — Клейна не обязательно должно быть четырёхмерным пространством-временем; это может быть любое ([[Псевдориманово многообразие|псевдо]])[[риманово многообразие]], [[Суперсимметрия|суперсимметричное]] многообразие, [[орбифолд]] или даже [[некоммутативная геометрия|некоммутативное пространство]].

Построение можно примерно описать следующим образом<ref>David Bleecker, «[https://zulfahmed.files.wordpress.com/2014/05/88623149-bleecker-d-gauge-theory-and-variational-principles-aw-1981-ka-t-201s-pqgf.pdf Gauge Theory and Variational Principles] {{Wayback|url=https://zulfahmed.files.wordpress.com/2014/05/88623149-bleecker-d-gauge-theory-and-variational-principles-aw-1981-ka-t-201s-pqgf.pdf |date=20210709185749 }}» (1982) D. Reidel Publishing ''(See chapter 9'')</ref>. Начнём с рассмотрения [[главное расслоение|главного расслоения]] ''P'' с [[Калибровочная инвариантность|калибровочной группой]] ''G'' над [[многообразие]]м M. Имея [[Связность (дифференциальная геометрия)|связность]] на расслоении, [[Метрический тензор|метрику]] на базовом многообразии и калибровочно-инвариантную метрику на касательной к каждому слою, можно построить [[Метрика (векторное расслоение)|метрику расслоения]], определённую на всём расслоении. Вычисляя [[Скалярная кривизна|скалярную кривизну]] этой метрики расслоения, мы обнаруживаем, что она постоянна на каждом слое: это и есть «чудо Калуцы». Не нужно было явно накладывать цилиндрическое условие или компактифицировать: по предположению калибровочная группа уже компактна. Затем эта скалярная кривизна берётся за [[Лагранжиан|плотность лагранжиана]] и, исходя из этого, строится действие [[Действие Эйнштейна – Гильберта|Эйнштейна — Гильберта]] для расслоения в целом. Уравнения движения, [[Уравнение Эйлера — Лагранжа|уравнения Эйлера — Лагранжа]], можно получить обычным способом путём рассмотрения [[Стационарное состояние (квантовая физика)|стационарного]] действие по отношению к вариациям либо метрики на базовом многообразии, либо калибровочной связности. Вариации относительно базовой метрики дают [[Уравнения Эйнштейна|уравнения поля Эйнштейна]] на базовом многообразии, где [[тензор энергии-импульса]] задаётся [[Форма кривизны|кривизной]] [[калибровочная связность|калибровочной связности]]. С другой стороны, действие стационарно по отношению к вариациям калибровочной связи именно тогда, когда калибровочная связь является решением [[Теория Янга — Миллса|уравнения Янга — Миллса]]. Таким образом, применяя единственную идею: [[принцип наименьшего действия]] к единственной величине: скалярной кривизне на расслоении (в целом), можно получить одновременно все необходимые уравнения поля как для пространства-времени, так и для калибровочного поля.

В качестве подхода к объединению сил легко применить теорию Калуцы — Клейна в попытке объединить гравитацию с [[Сильное взаимодействие|сильными]] и [[Электрослабое взаимодействие|электрослабыми]] силами с помощью группы симметрии [[Стандартная модель|Стандартной модели]] [[Специальная унитарная группа|SU(3)]] × [[Специальная унитарная группа|SU(2)]] × [[U(1)]]. Однако попытка превратить эту интересную геометрическую конструкцию в полноценную модель реальности терпит неудачу из-за ряда трудностей, включая тот факт, что [[фермион]]ы должны вводиться искусственным путем (в несуперсимметричных моделях). Тем не менее, теория Калуцы — Клейна остаётся важным пробным камнем в теоретической физике и часто включается в более сложные теории. Она изучается сама по себе как объект геометрического интереса в [[K-теория|K-теории]].

Даже в отсутствие полностью удовлетворительной основы теоретической физики идея исследования дополнительных, компактифицированных измерений представляет значительный интерес в сообществах [[Экспериментальная физика|экспериментаторов]] и [[Астрофизика|астрофизиков]]. Можно сделать множество прогнозов с реальными экспериментальными последствиями (в случае [[Большое дополнительное измерение|больших дополнительных измерений]] и [[Искривлённое произведение|искажённых моделей]]). Например, исходя из простейших принципов, можно было бы ожидать наличия [[Стоячая волна|стоячих волн]] в дополнительном компактифицированном измерении или измерениях. Если дополнительное пространственное измерение имеет радиус ''R'', инвариантная [[масса]] таких стоячих волн будет ''M''<sub>''n''</sub> = ''nh''/''Rc,'' где ''n'' — [[целое число]], ''h'' — [[постоянная Планка]], а ''c'' — [[скорость света]]. Этот набор возможных значений массы часто называют '''башней Калуцы — Клейна'''. Точно так же в квантовой теории поля при ненулевых температурах компактификация евклидова временного измерения приводит к [[Частота Мацубары|частотам Мацубары]] и, таким образом, к дискретному спектру тепловой энергии.

Однако подход Клейна к квантовой теории ошибочен и, например, приводит к вычисленной массе электрона порядка [[Планковские единицы|массы Планка]]<ref>Ravndal, F., Oskar Klein and the fifth dimension, [[arxiv:1309.4113|arXiv:1309.4113]] [physics.hist-ph]</ref>.

Примеры экспериментально проверяемых следствий теории включают работу [[Детектор коллайдера в Фермилабе|коллаборации CDF]], которая повторно проанализировала [[Коллайдер|данные коллайдера частиц]] для выявления эффектов, связанных с большими дополнительными измерениями и [[Искривлённое произведение|деформированными моделями]].

Бранденбергер и Вафа предположили, что в ранней Вселенной [[Инфляционная модель Вселенной|космическая инфляция]] заставила три пространственных измерения расширяться до космологических размеров, в то время как остальные измерения пространства остались микроскопическими.

== Теория пространства-времени-материи ==
Частный вариант теории Калуцы-Клейна, известный как теория '''пространства-времени-материи''' или '''теории индуцированной материи''', в основном исследовался [[Пол С. Вессон|Полом Вессоном]] и другими членами Консорциума пространства-времени-материи<ref>{{Cite web |url=http://5dstm.org/ |title=5Dstm.org |access-date=2021-07-10 |archive-date=2013-08-21 |archive-url=https://web.archive.org/web/20130821183539/http://5dstm.org/ |deadlink=no }}</ref>. В этой версии теории отмечается, что решения уравнения

: <math>\widetilde{R}_{ab}=0</math>

можно переформулировать так, чтобы в четырёх измерениях эти решения удовлетворяли бы [[Уравнения Эйнштейна|уравнениям Эйнштейна]]

: <math>G_{\mu\nu} = 8\pi T_{\mu\nu}\,</math>

с точным видом ''T''<sub>''μν''</sub>, вытекающим из [[Риччи-плоское состояние|условия на исчезновение тензора Риччи]] в пятимерном пространстве. Другими словами, цилиндрическое условие не используется, и теперь тензор энергии-импульса получается из производных 5D-метрики по пятой координате. Поскольку обычно  рассматривают [[тензор энергии-импульса]] в четырёхмерном пространстве с материей, вышеупомянутый результат можно интерпретировать как четырёхмерную материю индуцируемую геометрией пятимерного пространства.

В частности, [[солитон]]ные решения <math>\widetilde{R}_{ab}=0</math> содержат [[Вселенная Фридмана|метрику Фридмана — Лемэтра — Робертсона — Уокера]] как в формах с преобладанием излучения (ранняя вселенная), так и в формах с преобладанием материи (поздняя вселенная). Можно показать, что общие уравнения достаточно точно согласуются с классическими [[Предсказания общей теории относительности|тестами общей теории относительности]], чтобы быть приемлемыми с точки зрения физических принципов, при этом оставляя значительную свободу в выборе интересных [[Физическая космология|космологических моделей]].

== Геометрическая интерпретация ==
Теория Калуцы — Клейна имеет особенно элегантное изложение с точки зрения геометрии. В определённом смысле это похоже на обычную гравитацию в [[Вакуум|свободном пространстве]], за исключением того, что она выражается в пяти измерениях вместо четырёх.

=== Уравнения Эйнштейна ===
Уравнения, описывающие обычную гравитацию в свободном пространстве, можно получить из [[Действие (физическая величина)|действия]], применив [[Вариационные принципы|вариационный принцип]] к определённому [[Действие (физическая величина)|действию]]. Пусть ''M'' — ([[Псевдориманово многообразие|псевдо]])[[риманово многообразие]], которое можно принять за [[пространство-время]] [[Общая теория относительности|общей теории относительности]]. Если ''g'' — [[Метрика (метрическая геометрия)|метрика]] на этом многообразии, [[Действие (физическая величина)|действие]] ''S''(''g'') определяется как

: <math>S(g)=\int_M R(g) \mathrm{vol}(g)\,</math>

где ''R''(''g'') — [[скалярная кривизна]], а vol(''g'') — [[элемент объёма]]. Применяя [[Вариационные принципы|вариационный принцип]] к действию

: <math>\frac{\delta S(g)}{\delta g} = 0</math>

получаем в точности [[уравнения Эйнштейна]] для свободного пространства:

: <math>R_{ij} - \frac{1}{2}g_{ij}R = 0</math>

где ''R''<sub>''ij''</sub> — [[тензор Риччи]].

=== Уравнения Максвелла ===
Напротив, [[уравнения Максвелла]], описывающие [[электромагнетизм]], можно понимать как [[Когомологии де Рама|уравнения Ходжа]] [[главное расслоение|главного U(1)-расслоения]] или [[Расслоение на окружности|расслоения на окружности]] <math>\pi:P\to M</math> со слоем [[U(1)]]. То есть [[электромагнитное поле]] <math>F</math> является [[Теория Ходжа|гармонической 2-формой]] в пространстве <math>\Omega^2(M)</math> дифференцируемых [[Дифференциальная форма|2-форм]] на многообразии <math>M</math>. В отсутствие зарядов и токов уравнения Максвелла в свободном поле имеют вид

: <math>\mathrm{d}F = 0 \quad\text{and}\quad \mathrm{d}{\star}F = 0.</math>

где <math>\star</math> — [[звезда Ходжа]].

=== Геометрия Калуцы — Клейна ===
Для построения теории Калуцы — Клейна выбирается инвариантная риманова метрика на окружности <math>S^1</math>, то есть слое <math>U(1)</math>-расслоения электромагнетизма. В этом обсуждении ''инвариантная метрика'' — это просто метрика, инвариантная относительно вращений окружности. Предположим, эта метрика даёт кругу общую длину <math>\Lambda</math>. Затем рассматриваются метрики <math>\widehat{g}</math> на расслоении <math>P</math>, которые согласованы как с метрикой слоя, так и с метрикой на подлежащем многообразии <math>M</math>. Условия согласованности:

* Проекцию <math>\widehat{g}</math> в [[Вертикальный пучок|вертикальное подпространство]] <math>\mbox{Vert}_pP \subset T_pP</math> необходимо согласовать с метрикой на слое над точкой на многообразии <math>M</math>.
* Проекция <math>\widehat{g}</math> в [[Горизонтальный пучок|горизонтальное подпространство]] <math>\mbox{Hor}_pP \subset T_pP</math> [[Касательное пространство|касательного пространства]] в точке <math>p\in P</math> должна быть изоморфна метрике <math>g</math> на <math>M</math> в <math>\pi(P)</math> .

Действие Калуцы — Клейна для такой метрики даётся формулой

: <math>S(\widehat{g})=\int_P R(\widehat{g}) \;\mbox{vol}(\widehat{g})\,</math>

Скалярная кривизна, записанная в компонентах, затем расширяется до

: <math>R(\widehat{g}) = \pi^*\left( R(g) - \frac{\Lambda^2}{2} \vert F \vert^2\right) ,</math>

где <math>\pi^*</math> — [[Кодифференциал (дифференциальная геометрия)|кодифференциал]] проекции слоя расслоения <math>\pi:P\to M</math>. Связность <math>A</math> на слое расслоения связана с тензором электромагнитного поля

: <math>\pi^*F = \mathrm{d}A</math>

То, что такая связь существует всегда, даже для расслоений произвольно сложной топологии, является результатом [[Теория гомологий|гомологии]] и, в частности, [[K-теория|K-теории]]. Применяя [[Теорема Тонелли — Фубини|теорему Фубини]] и интегрируя по слою, получаем

: <math>S(\widehat{g})=\Lambda \int_M \left( R(g) - \frac{1}{\Lambda^2} \vert F \vert^2 \right) \;\mbox{vol}(g) </math>

Варьируя действие по отношению к компоненту <math>A</math>, мы приходим к уравнениям Максвелла. Применяя вариационный принцип к базовой метрике <math>g</math>, получаем уравнения Эйнштейна

: <math>R_{ij} - \frac{1}{2}g_{ij}R = \frac{1}{\Lambda^2} T_{ij}</math>

с [[Тензор энергии-импульса|тензором энергии-импульса]], заданным в виде

: <math>T^{ij} = F^{ik}F^{jl}g_{kl}
- \frac{1}{4}g^{ij} \vert F \vert^2,</math>

который иногда называют [[Тензор напряжений Максвелла|максвелловским тензором напряжений]].

Исходная теория определяет <math>\Lambda</math> с метрикой слоя <math>g_{55}</math>, и позволяет <math>\Lambda</math> варьироваться от слоя к слою. В этом случае связь между гравитацией и электромагнитным полем непостоянна, но имеет своё собственное динамическое поле — [[Радион (физика)|радионное]].

=== Обобщения ===
Выше размер петли <math>\Lambda</math> действует как константа связи между гравитационным полем и электромагнитным полем. Если базовое многообразие четырёхмерно, то многообразие Калуцы — Клейна ''P'' пятимерное. Пятое измерение — это [[компактное пространство]], которое называется '''компактным измерением'''. Метод введения компактных размеров для получения многомерного многообразия называется [[Компактификация (физика)|компактификацией]]. Компактификация не производит групповых действий на киральные фермионы, за исключением очень специфических случаев: размерность всего пространства должна быть 2 mod 8, а G-индекс оператора Дирака компактного пространства должен быть ненулевым<ref>L. Castellani et al., Supergravity and superstrings, Vol 2, chapter V.11</ref>.

Приведённое выше развитие более или менее прямо обобщается на общие [[главное расслоение|главные ''G''-расслоения]] для некоторой произвольной [[Группа Ли|группы Ли]] ''G'', занимающей место [[U(1)]]. В таком случае теорию часто называют теорией [[Теория Янга — Миллса|Янга — Миллса]]. Если лежащее в основе многообразие [[Суперсимметрия|суперсимметрично]], то результирующая теория является суперсимметричной теорией Янга — Миллса.

== Экспериментальная проверка ==
Официальных сообщений об экспериментальных или наблюдательных признаках дополнительных измерений не поступало. Было предложено много теоретических методов поиска для обнаружения резонансов Калуцы — Клейна с использованием массового взаимодействия таких резонансов с [[T-кварк|топ-кварком]]. Однако, наблюдение таких резонансов в [[Большой адронный коллайдер|Большом адронном коллайдере]] маловероятно. Анализ результатов LHC в декабре 2010 года сильно ограничивает параметр минимально возможной массы для черных дыр, который вводится в теориях с [[Большие дополнительные размеры|большими дополнительными измерениями]]<ref name="arxiv.org 1">CMS Collaboration, «Search for Microscopic Black Hole Signatures at the Large Hadron Collider», https://arxiv.org/abs/1012.3375 {{Wayback|url=https://arxiv.org/abs/1012.3375 |date=20170810063016 }}</ref>.

Наблюдение [[Бозон Хиггса|бозона типа]] Хиггса на LHC устанавливает новый эмпирический тест, который может быть применён к поиску резонансов Калуцы — Клейна и суперсимметричных частиц. [[Диаграммы Фейнмана|Петлевые диаграммы Фейнмана]], существующие во взаимодействиях Хиггса, позволяют любой частице с электрическим зарядом и массой двигаться по такой петле. Частицы Стандартной модели, помимо [[T-кварк|топ-кварка]] и [[W- и Z-бозоны|W-бозона]], не вносят большого вклада в сечение, наблюдаемое в {{Nobr|H → γγ}}, но если появятся новые частицы за пределами Стандартной модели, они потенциально могут изменить соотношение предсказанной Стандартной модели {{Nobr|H → γγ}} к экспериментально наблюдаемому сечению. Следовательно, измерение любого резкого изменения {{Nobr|H → γγ}}, предсказываемого Стандартной моделью, имеет решающее значение для исследования физики за её пределами.

Другая более свежая статья от июля 2018 г.<ref name="arxiv.org 2">Limits on the number of spacetime dimensions from [[GW170817]], https://arxiv.org/abs/1801.08160 {{Wayback|url=https://arxiv.org/abs/1801.08160 |date=20191103183544 }}</ref> даёт некоторую надежду этой теории; в статье они оспаривают, что гравитация проникает в более высокие измерения, как в теории бран. Однако в статье показано, что электромагнитное поле и гравитация имеют одно и то же количество измерений, и этот факт подтверждает теорию Калуцы — Клейна; вопрос о том, действительно ли количество измерений составляет 3 + 1 или на самом деле 4 + 1, является предметом дальнейших споров.

== См. также ==
* [[Универсальные дополнительные размерности]]

== Примечания ==
{{Примечания}} 

== Литература ==
* {{книга | автор = Владимиров Ю. С.| часть = | заглавие = Размерность физического пространства-времени и объединение взаимодействий| оригинал = | ссылка = | издание = | ответственный = | место = М.| издательство = Изд-во МГУ| год = 1987| том = | страницы = | страниц = 215| isbn = |ref=Владимиров}}
* {{книга | автор = Владимиров Ю. С.| часть = | заглавие = Классическая теория гравитации| оригинал = | ссылка = | издание = | ответственный = | место = М.| издательство = Книжный дом ЛИБРОКОМ| год = 2009| том = | страницы = | страниц = 264| isbn = 978-5-397-00884-6|ref=Владимиров}}
* {{книга | автор = Владимиров Ю. С.| часть = | заглавие = Геометрофизика| оригинал = | ссылка = | издание = 2-е изд., испр.| ответственный = | место = М.| издательство = Бином. Лаборатория знаний| год = 2012| том = | страницы = | страниц = 536| isbn = 978-5-9963-0303-8|ref=Владимиров}}
* {{статья |автор = Ходос, А.|заглавие = Теории Калуцы-Клейна: общий обзор|оригинал = |ссылка = https://ufn.ru/ru/articles/1985/8/d/|издание = [[УФН]]|год = 1985|том = 146 |страницы = 647—654  |doi = 10.3367/UFNr.0146.198508d.0647|pmid = |bibcode = |arxiv = |ref = Ходос}}
* {{cite book | last = Wesson | first = Paul S.| title = Five-dimensional physics: classical and quantum consequences of Kaluza-Klein cosmology | url = https://archive.org/details/fivedimensionalp0000wess | publisher = World Scientific | location = Hackensack, N. J. | year = 2006 | isbn = 9812566619}}
* {{статья |автор = Overduin J. M., Wesson P. S.|заглавие = Kaluza-Klein gravity|оригинал = |ссылка = https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157396000464?via%3Dihub#aep-keywords-id5|издание = Physics Reports|год = 1997|том = 283|страницы = 303—378 |doi = 10.1016/S0370-1573(96)00046-4|pmid = |bibcode = |arxiv = gr-qc/9805018|ref = Overduin & Wesson}}
* {{Cite journal|author=Kaluza|first=Theodor|date=1921|title=Zum Unitätsproblem in der Physik|journal=Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. Berlin. (Math. Phys.)|pages=966–972|bibcode=1921SPAW.......966K}} https://archive.org/details/sitzungsberichte1921preussi
* {{Cite journal|author=Klein|first=Oskar|date=1926|title=Quantentheorie und fünfdimensionale Relativitätstheorie|journal=[[Zeitschrift für Physik A]]|volume=37|issue=12|pages=895–906|doi=10.1007/BF01397481|bibcode=1926ZPhy...37..895K}}
* {{Cite journal|author=Witten|first=Edward|date=1981|title=Search for a realistic Kaluza–Klein theory|journal=[[Nuclear Physics B]]|volume=186|issue=3|pages=412–428|doi=10.1016/0550-3213(81)90021-3|bibcode=1981NuPhB.186..412W}}
* {{cite book |title=Proceedings of the Symposium 'The Oskar Klein Centenary' |chapter=Kaluza–Klein Theory in Perspective |last=Duff |first=M. J. |editor=Lindström, Ulf|date=1994 |publisher=World Scientific |location=Singapore |isbn=978-981-02-2332-8 |pages=22–35 }}
* {{Cite journal|author=Overduin|first=J. M.|date=1997|title=Kaluza–Klein Gravity|journal=Physics Reports|volume=283|issue=5|pages=303–378|doi=10.1016/S0370-1573(96)00046-4|arxiv=gr-qc/9805018|bibcode=1997PhR...283..303O}}
* {{cite book |title=Five-Dimensional Physics: Classical and Quantum Consequences of Kaluza–Klein Cosmology |last=Wesson |first=Paul S. |date=2006 |publisher=World Scientific |location=Singapore |isbn=978-981-256-661-4 |bibcode=2006fdpc.book.....W |url-access=registration |url=https://archive.org/details/fivedimensionalp0000wess }}
* The CDF Collaboration, ''[http://www-cdf.fnal.gov/PES/kkgrav/kkgrav.html Search for Extra Dimensions using Missing Energy at CDF]'', (2004) ''(упрощенное представление поиска дополнительных измерений на детекторе в лаборатории физики элементарных частиц Фермилаба)''
* John M. Pierre,  ''[http://www.sukidog.com/jpierre/strings/extradim.htm SUPERSTRINGS! Extra Dimensions]'', (2003).
* Chris Pope,  ''[http://faculty.physics.tamu.edu/pope/ihplec.pdf Lectures on Kaluza–Klein Theory]''.
* [[Виттен, Эдвард|Edward Witten]] (2014). "A Note On Einstein, Bergmann, and the Fifth Dimension", {{ArXiv|1401.8048}}
* ''[[Ли Смолин]]'' [http://www.rodon.org/sl/nsfvtsunichzes/#a3 Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует]

{{Теории гравитации}}
{{За пределами Стандартной модели}}
{{рецензия}}

[[Категория:Теории гравитации]]
[[Категория:Физика за пределами Стандартной модели]]
[[Категория:Именные законы и правила|Калуцы — Клейна]]