大统一理论

1大统一理论大统一理论大统一理论（ grand unified theories，GUTs）。试图用同一组方程式描述全部粒子和力(强相互作用 、弱相互作用 、万有引力、电磁相互作用 四种人类目前所知的所有的力)的物理性质的理论或模型的总称。这样一种尚未找到的理论有时也称为万物之理，或 TOE。 这并非完全荒唐可笑的梦想，因为在统一物理学家对物质世界的描述方面已经取得了相当成就。就在 19 世纪中叶，电和磁还被看成是两种独立的事物，但麦克斯韦研究证明它们实际上是现在叫做电磁现象的同一种基本相互作用 的两个方面，可以用同一组方程式加以描述。到 20 世纪中叶前，这一描述又改进到包括了 量子力学效应，并以量子电动力学 (QED)形式成为物理学家提出过的最成功的理论之一，它以极高精度正确预言了诸如电子等带电粒子相互作用的性质。 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。 霍金在他的 时间简史中坦言，当今世界上可能会有些人在有生之年，发现大统一理论。但这个大统一理论并不是爱因斯坦最初想的大统一理论，不可能通过一个简单的美妙的公式来描述和预测宇宙中的每一件事情。因为宇宙是确定性和不确定性相互统一的，量子理论中测不准原理体现了不确定性。 发发展展历历程程力力的的发发现现和和本本质质 ： 2引力：万有引力，乃任何有质体（即有质量之物）之间的相互吸引力。牛顿发现所有的东西一旦失去支撑必然会坠下，继而他发现任何两物体之间都存在着吸引力，而这引力更与距离的平方成反比，总结出万有引力定律。 电磁力：电磁相互作用力乃是带电荷粒子或具有磁矩粒子通过电磁场传递着相互之间的作用。 法拉第发现了某种具有深远意义的事情 尽管表面现象不同，但是电和磁仅仅是同一个基本现象的不同的方面。 1861 年，苏格兰理论家詹姆斯 ·麦克斯韦成功地把法拉第的发现转换成数学语言。其成果就是现在著名的麦克斯韦电磁方程组。这些方程阐明了电与磁实质上的统一性。 强相互作用力 ：强相互作用力乃是让强子们结合在一块的作用力，人们认为其作用机制乃是核子间相互交换介子而产生的。 1973 年，维尔切克，格罗斯，波利策三位物理学家用完美的数学公式提出了一种新理论。乍一看，他们的理论是完全矛盾的，因为对他们的数学结果的解释表明， 夸克间的距离越近，强作用力越弱。当夸克间彼此非常接近时，强作用力是如此之弱，以至它们的行为完全就像自由粒子。物理学家们将这种现象称为 “渐近自由”，即渐近不缚性。反过来也是正确的，即当夸克间的距离越大时，强作用力就越强。这种特性可用橡皮带的性质来比喻，即橡皮带拉得越长，作用力就越强。 渐近自由理论解释了质子和中子的成分夸克为何从来都不会分离。这一发现导致了一个全新的理论 量子色动力学的诞生。这一理论对 标准模型有着重要的贡献。标准模型描述了与电磁力、强作用力、弱作用力有关的所有物理现象，但它并没有包括重力。在量子色动力学家的帮助下，物理学家终于能够解释为什么夸克只有在极高能的情况下它才会表现为自由粒子。在质子和中子中，夸克总是像“三胞胎”一样出现。 弱相互作用：上个世纪末 ,在发现 衰变的时候 ,关于弱相互作用是一个不同的物理作用力的想法 ,其演化是很缓慢的 .只有当实验上发现了其它弱作用 ,如 衰变, 俘获等等,并且理论上认识到所有这些作用能够近似地用同一个耦合常数来描述之后,这一看法才变得明朗起来 ,才产生了普适的弱相互作用的看法 .只有在此之后 ,人们才慢慢地认识到,弱相互作用力形成一个独立的领域 ,或许可与万有引力 ,电磁力和强作用核力及亚核力等等量齐观 . 最早观察到的原子核的 衰变是弱作用现象。弱作用仅在微观尺度上起作用，其力程最短，其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位。其对称性较差，许多在强作用和电磁作用下的守恒定律都遭到破坏（见对称性和守恒定律），例如宇称守恒在弱作用下不成立。弱作用的理论是电弱统一理论，弱作用通过交换中3间玻色子(W+/-,Z)而传递。弱作用引起的粒子衰变称为弱衰变，弱衰变粒子的平均寿命大于 10-13s。 事实上，物质的原始形态应该是非常简单的，就象计算机运用二进制排列组合编制程序一样。这样想来，我们就可以不受许多现象的影响，寻找物质本质性的东西。我们知道物质都是有原子组成的，原子又是有质子和电子组成的。因为中子可分解成质子和电子，我们暂且认为它不存在，至此我们已经有了两个物质基本形态，但还不足以编排出我们所知道的大千世界。现代物理学认为有四种基本力存在：一是质子带正电，电子带负电，它们通过电磁力相互作用；二是所有物质之间有万有引力；三是大多数基本粒子通过弱相互作用力结合在一起；四是原子核内的粒子通过强相互作用力结合在一起，这些力都是看不见摸不着的，我们暂且认为它们是物质的表面现象，是不存在的东西。那么这些力是怎样产生的？基本粒子质子和电子都有粒子的性质和波的性质，这种波又是怎样产生的？朝向阳光我们观察空气中漂浮的尘埃，尘埃在空气中并不走直线，而是在空气中做布朗运动。我们可以联想一下，质子和电子会不会也是在一种气体中做布朗运动，形成概率波。如果真是这样的话，真空中一定还有一种粒子，我们把它取名叫易子，易子是有质量的。这样我们现在已经有了三种基本粒子，那么，这三种粒子又是怎样相互作用表现出我们已知的四种力呢？首先让我们看一下力的本质是什么：实验用小滚珠做易子模型，把装有滚珠的杯子拿到秤盘上方5cm 处，把 1 粒滚珠倒在秤盘上，秤的指针会摆动一下，再在相同的高处把100 粒或者更多的滚珠持续快速地倒在秤盘上，如图，秤的指针会在一个位置附近摆动。这说明大量滚珠撞击秤盘，对秤盘产生了持续的、均匀的压力。在一定的时间内，碰撞的滚珠越多，对秤盘产生的压力越大。如果使这些滚珠从更高的位置倒在秤盘上，可以观察到秤的指针指示的压力更大。这表明，滚珠的动能越大对秤盘产生的压力越大。力产生的本质原因找到了，万有引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力产生的原因也就找到了，也就是说这四种力都是由粒子碰撞产生的。 发发展展过过程程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，爱因斯坦晚年偏离物理界大方向自己研究大统一理论想通过 “弱作用，磁场，强作用 ”来简单的解释宇宙直到他 1955 年逝世。他几十年的努力虽未成功，但却激励了后人。爱因斯坦在创建相对论时就意识到，4自然科学中 “统一”的概念或许是一个最基本的法则。还在30 年代爱因斯坦就着手研究“大统一理论 ”，试图将当时已发现的四种相互作用统一到一个理论框架下，从而找到这四种相互作用产生的根源。这一工作几乎耗尽了他后半生的精力，以致于一些史学家断言这是爱因斯坦的一大失误。但是，在爱因斯坦的哲学中，“统一”的概念深深扎根于他的思想中，他越来越确信 “自然界应当满足简单性原则 ”。虽然“大统一理论 ”没有成功，可是建立统一理论的思想却始终吸引着成千上万的物理学家们。 弱电统一理论 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，并预言了几种新的粒子，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。 今天我们已经知道自然界一共有4 种相互作用，除了引力相互作用和电磁相互作用外，还有强相互作用和弱相互作用。这4 种相互作用强度大小相差悬殊，作用范围也大相径庭。例如，引力的强度只有强相互作用力的100 万亿亿亿亿分之一，但引力的作用范围却非常大，从理论上说可以一直延伸到无限远的地方，所以引力是长程力；而强相互作用力的范围却很小很小，只有1 厘米的 10 万亿分之一，所以说强相互作用力是短程力；弱相互作用力也是短程力，力程不到1 厘米的 1000 万亿分之一，强度是强相互作用力的 1 万亿分之一；电磁力与引力一样是长程力，但它的强度要比引力大得多，是强相互作用力的1/137。4 种相互作用在性质上看来有明显的差异，然而科学家们却在思索：自然界为什么有这4 种相互作用？这 4 种相互作用是否只有差异而无共同之处？这 4 种相互作用能不能在一定条件下得到统一的说明？从科学史来看，第一个认真思索并付诸行动的是物理学家爱因斯坦。爱因斯坦在完成广义相对论的理论建设后，就一直在考虑能不能把引力相互作用和电磁相互作用统一起来。统一引力和电磁力，几乎成了爱因斯坦中老年时期所要攻克的主要目标，然而遗憾的是爱因斯坦终究没有完成这一伟大的工程。自幼就崇敬爱因斯坦的温伯格十分赞赏统一思想。但是既然引力和电磁力的统一障碍重重，那能不能先统一其他相互作用呢？从60 年代起，温伯格就着手弱相互作用与电磁相互作用的统一。统一之路并不平坦，温伯格甚至不清楚该从哪里入手。从 50 年代末到 60 年代，在基本粒子理论领域里，对称性自发破缺理论获得了较大的发展。例如，李政道和杨振宁在 1956 年就已发现弱相互作用里的一种破缺对称性（即破缺手征对称性）。所谓对称性自发破缺理论，通俗地说，5它认为一些不同的现象或规律可追溯到同一源头，最初有着共同的对称性，后来由于种种原因对称性被自发地破坏，这样我们就可以从对称性来研究它们的共性，从对称性自发破缺机制来研究它们的特殊性。 1965 年起温伯格也开始了关于对称性自发破缺理论的研究，并渐渐意识到这将是通向相互作用统一理论的合适道路。1967 年秋，温伯格终于确定弱相互作用和电磁相互作用可根据严格的、但自发破缺的规范对称性的思想进行统一的表达。他的理论结果发表在这一年的物理评论快报 上，题目是 “一个轻子的模型 ”。温伯格的理论被称为弱电统一理论，这是科学上第一个成功的相互作用统一理论。理论中所预言的中间玻色子W 和 Z，在 1983 年被欧洲核子研究中心找到。弱电统一理论的成功，肯定了相互作用统一思想的正确性，促使许多科学家进一步去研究把强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用统一在一起的大统一理论，以及把引力相互作用也统一进去的巨统一理论。 强、弱、电磁三种作用统一理论 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。 引力在其中的关系 将引力统一到这一图像中之所以如此困难，是因为引力与其他三种自然力相比极其微弱。不过，在某种意义下，引力和电磁力同样简单和易于处理，因为它只要求一种传达粒子，即无质量的引力子。 约翰“马隆著科学难解之谜 中的一段话说得非常清楚： “在基本粒子层面，引力基本不起作用。一个电子和的一个质子组成的氢原子，靠的不是引力，而是强度更大的电磁力。到底多大呢？大 1040 倍。正如法国物理学家和作家蒂阿纳所说： 如果没有电磁力，仅仅在引力的作用下的话， 1 个氢原子就将充满整个世界。引力非常微弱，不可能使电子和质子结合的如此紧密 .除非能将引力与其他三种力统一起来，否则就不会存在 万物理论，或者大统一理论这类的现代科学的圣杯。 将引力包括到