科學(xué)的終極目標(biāo)：大統(tǒng)一理論！我們距離宇宙至理還有多遠(yuǎn)？

（上圖簡(jiǎn)要描述了萬(wàn)物理論的基本模型，自然界中有四種基本力，即強(qiáng)核力，弱核力，電磁力和萬(wàn)有引力。在100GeV的能量下，電磁力和弱核力統(tǒng)一成為電弱力，這一點(diǎn)已經(jīng)得到證明。在10^15GeV的能量下，強(qiáng)核力和電弱力統(tǒng)一成為電核力，也就是大統(tǒng)一理論模型，在10^19GeV的能量下，萬(wàn)有引力和電核力統(tǒng)一，形成萬(wàn)物理論，能夠用一個(gè)方程式描述所有的粒子和力）

圖解:萬(wàn)有理論由大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產(chǎn)生時(shí)的景象。它由大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產(chǎn)生時(shí)的景象。它是通過(guò)衰變?yōu)閺?qiáng)子噴流的質(zhì)子與電子的碰撞形成的。是通過(guò)衰變?yōu)閺?qiáng)子噴流的質(zhì)子與電子的碰撞形成的。

20世紀(jì)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(xué)家們?yōu)橹徽瘢麄儎?chuàng)造了電磁力和弱核力的統(tǒng)一理論，即電弱統(tǒng)一理論。物理學(xué)家格拉肖、喬治等人提出，使用一種叫做“群論”的算法，可以通過(guò)“SU(5)”的對(duì)稱性將弱核力和電磁力與由膠子介導(dǎo)的強(qiáng)核力結(jié)合起來(lái)。這個(gè)理論后來(lái)成為了物理學(xué)界眾所周知的大統(tǒng)一理論或縮寫為”GUT”，并迅速衍生出許多類似理論，包括“超對(duì)稱性大統(tǒng)一理論(SUSY- GUTs)”、“超重力理論”和“具有額外維度的超對(duì)稱性大統(tǒng)一理論”。直到上世紀(jì)80年代初大統(tǒng)一理論為弦理論所取代。

在上世紀(jì)70年代末，80年代初，大統(tǒng)一理論是如此的激動(dòng)人心，因?yàn)樗坪蹩梢杂猛ㄓ玫臄?shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)解釋強(qiáng)核力，弱核力以及電磁力。其最主要的論斷是，在高達(dá)1000*10億*10億伏特（10^15吉電子伏）的巨大能量下，強(qiáng)核力會(huì)和電磁弱核力相似（或統(tǒng)一）。將這些觀點(diǎn)應(yīng)用到宇宙學(xué)當(dāng)中也催生了暴脹宇宙學(xué)。

如今，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型應(yīng)用了大統(tǒng)一理論的一些基本概念，將物理量(除重力外)統(tǒng)一起來(lái)。物理學(xué)家們努力尋找希格斯玻色子，試圖證實(shí)大統(tǒng)一理論中的幾個(gè)基本觀點(diǎn)，比如“自發(fā)對(duì)稱性破缺”。在2012年，也就是預(yù)測(cè)出希格斯玻色子的存在的50年后，科學(xué)家們?cè)诖笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)了這種難以捉摸的粒子。這是一個(gè)跨時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗C明了自發(fā)對(duì)稱性破缺的整個(gè)概念應(yīng)當(dāng)是有效的。上世紀(jì)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(tǒng)一理論而獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而自發(fā)對(duì)稱性破缺正是該理論的核心，同時(shí)也是大統(tǒng)一理論數(shù)學(xué)計(jì)算中的重要概念。

20世紀(jì)70年代，關(guān)于大統(tǒng)一理論的研究正蓬勃發(fā)展，物理學(xué)界發(fā)現(xiàn)了自然界中有一種新的“超對(duì)稱性”，雖然那時(shí)還并未找到這種超對(duì)稱性。但同時(shí)也有不如人意的事，當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)模型中具有幾十個(gè)可調(diào)實(shí)驗(yàn)常數(shù)，這些常數(shù)都需要進(jìn)行微調(diào)，從而和我們物質(zhì)世界中包含的常數(shù)保持相同。這些常數(shù)包括萬(wàn)有引力常數(shù)，光速，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，確定輕子和夸克的相互作用程度的常數(shù)。物理學(xué)家們認(rèn)為這難度過(guò)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(shù)，還有一個(gè)問(wèn)題是，標(biāo)準(zhǔn)模型中不包括重力。

當(dāng)時(shí)，人們?cè)Ｍf(wàn)有引力能以某種方式融入到大統(tǒng)一理論當(dāng)中，但由于弦理論的出現(xiàn)，這一希望最終未能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橄依碚摓槲覀兲峁┝艘环N新方法----將萬(wàn)有引力視為“量子場(chǎng)”。由于最流行的弦理論版本含有超對(duì)稱性，因此它們被稱為超弦理論。

超對(duì)稱性已經(jīng)發(fā)展成為許多理論里能夠統(tǒng)一包括引力在內(nèi)的所有四種相互作用力的關(guān)鍵概念，然而，在歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)其跡象進(jìn)行了5年的尋找之后，仍然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。標(biāo)準(zhǔn)模型就擺在那里，但其中的強(qiáng)核力和電弱力可能無(wú)法進(jìn)一步統(tǒng)一。

大統(tǒng)一理論

大統(tǒng)一理論是粒子物理學(xué)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型描述了在高能量下，三種基本力----強(qiáng)作用力，弱作用力和電磁作用力會(huì)融合成為一個(gè)力。盡管未能直接觀察到這種統(tǒng)一力，許多大統(tǒng)一模型都理論證明其存在。如果這三種相互作用確實(shí)能夠統(tǒng)一，那么也意味著，在宇宙初期，這三種基本力并無(wú)分別時(shí)，存在著大統(tǒng)一的時(shí)期。

實(shí)驗(yàn)證明了在高能量下，電磁相互作用作用和弱相互作用會(huì)統(tǒng)一為電弱相互作用。大統(tǒng)一模型預(yù)測(cè)在更高的能量下，強(qiáng)相互作用和弱磁相互作用為統(tǒng)一為電核相互作用。這種相互作用的特征是一個(gè)更大的對(duì)稱性，有幾個(gè)力載體，但只有一個(gè)統(tǒng)一的耦合常數(shù)。將萬(wàn)有引力與電核的相互作用統(tǒng)一起來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生萬(wàn)物理論(TOE)。大統(tǒng)一理論通常認(rèn)為是萬(wàn)物理論的中間步驟。