科學終極理論：大統一理論？我們離萬物理論還有多遠？

（上圖簡要描述了萬物理論的基本模型，自然界中有四種基本力，即強核力，弱核力，電磁力和萬有引力。在100GeV的能量下，電磁力和弱核力統一成為電弱力，這一點已經得到證明。在10^15GeV的能量下，強核力和電弱力統一成為電核力，也就是大統一理論模型，在10^19GeV的能量下，萬有引力和電核力統一，形成萬物理論，能夠用一個方程式描述所有的粒子和力）

圖解：萬有理論由大型強子對撞機中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產生時的景象。它由大型強子對撞機中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產生時的景象。它是透過衰變為強子噴流的質子與電子的碰撞形成的。是透過衰變為強子噴流的質子與電子的碰撞形成的。

20世紀70年代中期，史蒂文·溫伯格、阿布杜斯·薩拉姆和謝爾登·格拉肖所做的研究成果令科學家們為之一振，他們創造了電磁力和弱核力的統一理論，即電弱統一理論。物理學家格拉肖、喬治等人提出，使用一種叫做“群論”的演算法，可以透過“SU（5）”的對稱性將弱核力和電磁力與由膠子介導的強核力結合起來。這個理論後來成為了物理學界眾所周知的大統一理論或縮寫為”GUT”，並迅速衍生出許多類似理論，包括“超對稱性大統一理論（SUSY- GUTs）”、“超重力理論”和“具有額外維度的超對稱性大統一理論”。直到上世紀80年代初大統一理論為弦理論所取代。

在上世紀70年代末，80年代初，大統一理論是如此的激動人心，因為它似乎可以用通用的數學語言來解釋強核力，弱核力以及電磁力。其最主要的論斷是，在高達1000*10億*10億伏特（10^15吉電子伏）的巨大能量下，強核力會和電磁弱核力相似（或統一）。將這些觀點應用到宇宙學當中也催生了暴脹宇宙學。

如今，粒子物理標準模型應用了大統一理論的一些基本概念，將物理量（除重力外）統一起來。物理學家們努力尋找希格斯玻色子，試圖證實大統一理論中的幾個基本觀點，比如“自發對稱性破缺”。在2012年，也就是預測出希格斯玻色子的存在的50年後，科學家們在大型強子對撞機上發現了這種難以捉摸的粒子。這是一個跨時代的發現，因為它證明了自發對稱性破缺的整個概念應當是有效的。上世紀70年代中期，史蒂文·溫伯格、阿布斯·薩拉姆和謝爾登·格拉肖因電弱統一理論而獲得諾貝爾獎，而自發對稱性破缺正是該理論的核心，同時也是大統一理論數學計算中的重要概念。

20世紀70年代，關於大統一理論的研究正蓬勃發展，物理學界發現了自然界中有一種新的“超對稱性”，雖然那時還並未找到這種超對稱性。但同時也有不如人意的事，當時的標準模型中具有幾十個可調實驗常數，這些常數都需要進行微調，從而和我們物質世界中包含的常數保持相同。這些常數包括萬有引力常數，光速，精細結構常數，確定輕子和夸克的相互作用程度的常數。物理學家們認為這難度過大，所以他們正在尋找一種更好的理論，能夠使用更少的特殊常數，還有一個問題是，標準模型中不包括重力。

當時，人們曾希望萬有引力能以某種方式融入到大統一理論當中，但由於弦理論的出現，這一希望最終未能實現。因為弦理論為我們提供了一種新方法——將萬有引力視為“量子場”。由於最流行的弦理論版本含有超對稱性，因此它們被稱為超弦理論。

超對稱性已經發展成為許多理論裡能夠統一包括引力在內的所有四種相互作用力的關鍵概念，然而，在歐洲核子研究中心大型強子對撞機對其跡象進行了5年的尋找之後，仍然沒有發現它的蹤跡。標準模型就擺在那裡，但其中的強核力和電弱力可能無法進一步統一。

大統一理論

大統一理論是粒子物理學的一個標準模型，這個標準模型描述了在高能量下，三種基本力——強作用力，弱作用力和電磁作用力會融合成為一個力。儘管未能直接觀察到這種統一力，許多大統一模型都理論證明其存在。如果這三種相互作用確實能夠統一，那麼也意味著，在宇宙初期，這三種基本力並無分別時，存在著大統一的時期。

實驗證明了在高能量下，電磁相互作用作用和弱相互作用會統一為電弱相互作用。大統一模型預測在更高的能量下，強相互作用和弱磁相互作用為統一為電核相互作用。這種相互作用的特徵是一個更大的對稱性，有幾個力載體，但只有一個統一的耦合常數。將萬有引力與電核的相互作用統一起來，就會產生萬物理論（TOE）。大統一理論通常認為是萬物理論的中間步驟。

參考資料

1。WJ百科全書

2。天文學名詞

3。 astronomycafe- Maurice

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