大统一理论将什么统一起来

Q1：统一场论的大统一理论

关于强作用，现已有一种成功的理论，即量子色动力学。它是个不破缺的SU(3)规范理论。因此，从20世纪70年代中期起，很自然地在电弱统一规范理论取得成功的基础上开始了新的探索，目标是把强作用乃至引力作用通过规范原理和电弱作用相统一。所谓大统一理论，就是试图依照电弱统一理论的同样观念和方法（即规范场加自发对称性破缺）来实现强、电磁和弱三种相互作用的统一，不过要将规范群推广为包含子群SU(3)×SU(2)×U(1)的一个更大的单纯群[如SU(5)、SO(10)或E(7)等]而已。按照这种理论，各种相互作用的强度是随能量而变化的。能量增加时强作用逐渐变弱，而电弱作用则变强。能量达到大约1024电子伏时，三种作用强度变成相等而统一为一种规范作用（由该单纯群作为规范群）。大统一规范理论有一个惊人的预言，即质子是不稳定的，它会衰变为别的粒子，其寿命估计为1031±2年。不过这个预言还没有在实验上得到证实。此外，还有人尝试把超对称性（玻色子－费米子对称性）引入大统一理论，企图解决大统一理论本身的一些问题（如规范等级问题）。不过超对称性带来的问题似乎比解决的问题更多。更有人讨论超统一（又叫作扩充超引力）理论，试图用超对称性同时把引力和其余三种相互作用在1028电子伏的能量下实现统一。最近，为了寻找新的途径又重新对卡鲁查的高维空间统一场论发生了兴趣。开始认真地考虑四维之外的其他维度的物理效应。还有人尝试把超对称性和高维空间结合起来等。所有这些把4种相互作用全统一起来的理论尝试现在都很不成熟，未能给出现实的统一方案。而且，这样的能量下引力的量子效应已开始变得重要，迄今还没有令人满意的量子化的引力理论。可见，距离真正实现爱因斯坦的宏大设想还相当远。总之，各种不同层次的统一规范场论，包括电弱统一和大统一规范场论，已经而且仍将是理论物理的中心课题之一。 建立统一场论的理想将继续鼓舞人们不断深入地顽强探索自然的奥秘。

Q2：物理学为什么需要大统一理论？

因为物理学本身就是一门追求一致性的学问。

在20世纪之前，物理学其实是高度统一的，牛顿力学可以解释小到颗粒尘埃，大到太阳星体运动的几乎所有问题，只不过在不同的领域，其应用方式和形式具有不同的表象。

不过牛顿力学也不是完美的，特别对于光的本质和规律，其一直不能做出很好的解释，这也为后来的物理学危机买下了一颗大雷。牛顿本人支持光的粒子学说，这样能够很好地解释光的反射，但折射、衍射等现象则无法自洽。后来，惠更斯、托马斯·杨对于光的波动学说做出了一系列深刻而令人信服的理论和实验，最后又由麦克斯韦将光-电磁场理论发展到了极致。

至此物理学已堪称完美。但盛极必衰，随后围绕着光和辐射进行的两个改变人类科学史的重大实验，开始倾覆这座精心建造的宏伟大厦：一个是迈克尔逊-莫雷实验，发现了光速不变原理；另一个是黑体辐射实验，其能量分布无法用经典电磁场理论解释。

于是，为了分别解释这两个与经典物理背道而驰的实验现象，爱因斯坦提出了狭义相对论，普朗克提出了辐射的能量量子化，二者便是今天物理学的两大根基。

由于这两套理论当初是为了解释不同的现象而分别独立发展出来的（即使爱因斯坦当年是因为光量子学说获得了一生中唯一的诺贝尔奖，但相对论跟这却没什么关联），所以其体系有较强的不相容性。在狄拉克等人的努力下，相对论效应被引入量子力学之中，并进一步发展出量子场论和规范场，对除万有引力外的其他三种基本场（特别是弱、电场）进行了较好的统一，但万有引力无论如何也无法在这套体系下相融。

虽然量子力学与相对论都能在各自领域很好地解释他们的物理现象，但这种必须由“两套理论”共同统治物理界的现状，是让真正的理论物理学家们抓狂的事情。据说爱因斯坦去世之前的几个小时，还在为“大统一场”理论作着生命中最后的几笔运算。

如今，超弦理论、M理论都在朝着这个终极目标艰难地前进着，而能够验证他们真伪的实验装置貌似还遥遥无期。了结爱因斯坦的夙愿，终结物理学分裂的局面，依然是广大物理学家长期而艰巨的任务……

Q3：什么是大统一理论?

在物理学中，力是最古老、最简单，也是最深奥的概念。这个笔划最少的物理概念，听起来几乎人人都懂，千百年以来物理学家却为它伤透了脑筋。
地球上的物体不管形状、大小如何，最终总要乖乖地落到地面上，原因是什么？天空中地球围绕太阳转、月亮围着地球转，原因又是什么？科学家牛顿经过艰苦的思索和研究，找出了统一的理论——万有引力。不论是地球上的物体，还是天空中的天体，都可以用万有引力来解释它们的运动。关于热现象人们总结出热学理论，关于电磁现象人们也总结出电磁场理论，物理学的各部分内容就是总结各种不同运动形式的规律和理论。这些规律之间能不能再总结出更基本的规律，解释更广泛的内容，这一直是物理学家关心的问题。
现在，人们发现微观粒子之间仅存在四种相互作用力，它们是万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释。进一步研究四种作用力之间联系与统一，寻找能统一说明四种相互作用力的理论称为大统一理论。
爱因斯坦在提出相对论以后，从20年代开始就致力于寻找一种统一的理论来解释所有相互作用，也就是解释一切物理现象，直到他1955年逝世。他几十年的努力虽未成功，但却激励了后人。
60年代格拉肖、温柏格、萨拉姆三位科学家提出弱电统一理论，把弱相互作用和电磁相互作用统一起来，这种统一理论可以分别解释弱相互作用和电磁相互作用的各种现象，并预方了几种新的粒子，他们因此荣获1979年诺贝尔物理学奖，1983年实验发现了理论中预言的粒子，进一步证明了理论的正确性。
70年代中期，人们进一步提出强、弱、电磁三种作用统一的大统一理论。大统一理论的结论之一是预言质子要衰变，这与实验结果有矛盾。大统一理论虽然还未获得成功，但是寻找四种相互作用统一的研究工作不会中断，人们仍在攀登这一高峰。

Q4：什么是大统一理论？

相对论和量子论的建立构成了现代物理学两大支柱，并为其他科学分支打开了广阔的天地。但是，作为基础的理论物理学曾经拥有的辉煌在近几十年中黯淡下来，物理学早已经从“搜集材料的科学”发展成为了“整理材料的科学”。过去几十年的实验仅仅验证了已有的理论，并未揭示出需由新规律解释的新现象，以致于越来越多的科学家不得不承认未来岁月不再有任何重大的新发现足以与牛顿、爱因斯坦赐给我们的那些发现相媲美；科学的任务只是补充大量的细节而已，产生枝节性结果；我们有了基本框架，只要填填漏洞就行了；越来越多的科学书籍也停留在夸夸其谈的水平。

有人曾预言科学的没落及非理性的复活将开始于20世纪末，我们所做的一切都不足以抑制物理学在总体上、在社会支持和社会价值上的衰退趋势，我们无奈地看到物理学对人才的吸引力不断减弱。物理学是许多学科的基础，当我们沉浸在对科技发展带来的社会经济巨大利益的乐观情绪时，一些西方学者看到了它的没落，他们悲哀地预感物理学基本定律不断被发现、激动人心、惊世骇俗的年代真的一去不复返了，求真、纯粹和经验的科学已经结束。

不过仍有许多科学家反对那种认为纯科学已走到尽头的观点，他们普遍认为某些惊人的理论和发现已迫在眉睫，理论物理学更深入地发展即将莅临。人们期待的这种理论就是所谓的“大统一”理论，幻想某一天发现宇宙规则，从而一劳永逸地解决一切有待研究的基本理论问题。许多科学主义者也不得不用对“大统一”的期待来支撑自己的信念。这些现象表明科学对形而上学产生了从未有过的焦虑。科学家相信自然界复杂现象中必然有某种暗含的简单规律在起作用，这些规律已经体现在量子论、相对论、自然选择等理论之中。支配世界的行为法则肯定比现在的物理学定律更为玄妙，它有已知理论没有的特征，具有某种不容质疑的自然主义色彩。我们不敢肯定解析时空理论就是“大统一”理论，但我们至少认为它向这个目标迈出了重要的一步，它的简明性给了人们一种新的方法论启迪。如果对未知的追求走到了尽头，还有什么能够赋予我们存在的意义呢?终极理论会让我们陷入解释的无限循环之中，因此我们坚信科学上不存在什么终极理论，除非人类沦落到由他们制造的机器智慧所支配的地步。

谈到大统一理论，我们应当注意到，物理学家无论在他们自己的领域，还是在他们借以描述问题的数学精确性方面都作出了真正显著的成果。一个新的宇宙图景正在出现，这是一个高度统一的图景。在这一图景中，宇宙的粒子和力都起源于单一的“超大统一力”，尽管它们分离成了不同的动力学事件，但它们仍然相互作用。时空是粒子和力在其中成为整合要素的动力学连续统一。每一个粒子，每一个力都影响其他的粒子和力，在自然界中没有孤立的力和事物，只存在具有不同特征的相互作用的事件群。

人们已经证明，把注意力聚焦在实体的基础或最低层次是由经典理论留下来的一个不必要的思想包袱，因为经典理论试图根据宇宙的最终构建块(原子)的各种不同特性的结合来解释所有事物。今天，一组相互协调一致的、抽象的、大多数是不可见的实体已代替了在外力的影响下运动的钢球状的原子概念。物理世界的过程不再涉及支配单个粒子行为的规律，物理学现在并不根据基本实体群来进行解释，即使这些实体不是原子而是夸克、交换粒子、超弦或其他将被发现的更抽象的单位。这是很重要的，因为在典型的生命层次上的复杂性现象不大可能通过唯一地以宇宙的最小构建块(无论它们的运动计算得多么精确)为基点的方程来描述。

相互作用和自我组织宇宙的图景似乎仍具有活力，尽管描述它的理论还不完善。要想看到物理学是如何返回到由动力学的力支配的宇宙，返回到在外部平衡中由互不联系事件的拼凑件组成的宇宙，是很困难的。

从反面来看，应当认识到，尽管在技术理由方面大统一理论取得了显著成绩，但它们的范围和意义还并不十分清楚。科学家一直太专注于构建统一其观察到的现象的数学了，以致不能大胆地更深入地研究它们的公式的含义；而哲学家作为他们时代知识的传统阐释者已经基本上被抛开了——很少有例外，他们都没有能赶上最新的发展。

思维缺乏深刻性的现象正在显示出来。在最初的一阵成功后，一些科学家声称他们的大统一理论几乎能够解释任何事物，但就物理学的大统一和超大统一理论而言，贴上“所有事物的理论”的标签明显是夸大其词。

正如我们看到的，大统一理论不能满意地解释空间和时间中物质的连续演进的结构化。当然，能够描述支配宇宙中连续构建结构和复杂性的规律的理论是可能的，至少在原则上是可能的，但问题是这种理论是否能通过把物理学规律扩展来进行精确描述，或是否需要以某种方式超越物理学规律。很明显，更为复杂的自然领域不再是物理性质的领域，作为传统意义上的物理学理论不包括它们。不过当前的物理学理论也许可以被普遍化(或者如有必要，利用附加因素去完善它)以便能跨物理学领域，这同时也意味着，目前的大统一理论并非是包罗万象和十全十美的。

那么，“大一统”理论能不能被人类找到并引起物理学激动人心、惊世骇俗的新发现呢?我们只能等待科学家和后继者们给我们寻找到答案。