面對複雜的世界，人類對不同物質和現象總結出一個個不同的規律和方程，而這些規律和方程都是在一定範圍内才成立，比如宏觀物質滿足宇宙學的方程，我們生活的經典尺度的滿足牛頓方程和麥克斯韋電磁學等方程，微觀物質則滿足量子力學的規律和方程，更小的基本粒子則又滿足其它的方程和規律，所以人類就有一個問題：宇宙存不存在一個統一的規律和方程？此即大統一理論，而大統一的努力在不同層次上也取得了進步，下面來看這個問題：

5.物理定律能否最終獲得統一？Can the Laws of Physics Be Unified？

1955年4月18日深夜1點15分左右，美國普林斯頓大學醫學院内，舉世矚目的德國物理學家，《相對論》的創始人阿爾伯特·愛因斯坦離開人世，享年76歲。這位在物理學界曾引起思想革命的偉大物理學家，在臨終的時候用德語對着隻懂英語的助理護士說了最後一句話，而這句話因為無人聽懂而轉瞬即逝，成為他留給這個世界的最後一個迷？對于這句話的猜測曾經有很多版本，而根據愛因斯坦最後一直緻力于統一場論的研究和最後将自己的最新研究成果付之一炬的事實，一個關于統一場論版本的最後遺言是這樣的： "哦，上帝，大概是我錯了，物理定律本質上其實是無法被統一的"。

以上的故事的最後一句當然是杜撰，關于物理定律的統一性其實就是一個夢想，一個被很多科學家當作必然追求并延續至今的夢想，因為這代表着人類對這個客觀世界所有的規律的一個思想歸宿：統一一定存在，而我們隻需要找到它。這就是我們今天要談論的問題：物理定律能否被最終統一？

圖1 緻力于大統一理論的愛因斯坦

人類周圍的客觀世界，充滿了各種紛繁複雜的物質和現象，然而人類總可以在這些複雜事物的背後發現某種普适的東西，這就是物理規律。在客觀世界中不斷被發現的一個個簡單的物理規律對我們人類來講，其實就是最大限度地消除了這個世界的表觀複雜性。比如面對地球上經常出現的閃電、摩擦絲綢的放電，在地殼中找到的磁石、擡頭看見的極光、發生在自然界的各種光學現象，光線在水中的折射和在鏡面上的反射等等現象，面對這些複雜的現象人類最後總結出四個簡單的方程，我們現在稱之為麥克斯韋方程。

人們驚奇地發現所有這些經典的電現象和磁現象竟然都遵從這四個方程所給出的規律（電磁的統一）。麥克斯韋方程從形式上來看，本身就展現着美，因為方程中蘊藏着令人驚異的對稱性，無論從數學符号和彼此關系的對應上，還是在某種變換下保持的不變性上，麥克斯韋方程都顯得非常完美，而這種美就如同莎士比亞的十四行詩對詩人一樣，總讓人充滿贊歎。

面對這個世界大大小小各種形态的物質的時候，其實人類很早就想知道這些物質到底由什麼構成。首先人們發現，自己吃的是大米，但為什麼長出了頭發和指甲，對這類現象的思考，古希臘人就提出用原子的概念去解釋這些現象。後來人類不斷用“撞擊粉碎物質”的方法發現了組成物質的非常多的粒子，研究這些不同種類粒子的産生和轉變便構成了粒子物理學，直到今天，粒子物理學形成了一個稱之謂标準模型的理論框架。這個理論框架從表面看起來已經相當完美，但它依然是一首沒有最後完成的“詩詞”。盡管标準模型有些地方依然支離破碎，有些地方仍然沒有最後完成，但它無疑是物理學領域内傑出的作品，因為它在很高的精度上可以用來描述所有構成物質的粒子和這些粒子之間所存在的基本力。

圖2 宇宙的結構層次和不同層次的規律

這些基本的模塊包括：強相互作用力，用來解釋誇克如何粘在一起形成質子和其他的複合粒子（描寫強相互作用的理論被稱為量子色動力學QCD）；弱相互作用力，用以解釋帶電的基本粒子如何改變它們的"味道"（味的身份種類，描寫弱相互作用的理論被稱為量子味動力學QFD）；電磁力，用來描述所有帶電物體之間的相互作用（描寫電磁相互作用的理論被稱為量子電動力學QED）。盡管标準模能全面地描述所有微觀基本粒子和它們之間的作用力，但它依然還是一件缺少某些基本碎片的絕美瓷器，在這些缺失的陶瓷碎片裡有一些就應該是用來描寫萬有引力的。标準模型的這些模塊和碎片預示着一個更為偉大的理論，這就好比是人們發現了遠古時期殘缺不全的莎草紙上莎孚（古希臘的女詩人）寫下的幾行詩句，背後暗示的是一件更加宏大的作品。

标準模型的美來自其簡潔的對稱性。用數學家的語言來說，标準模型的不同模塊展現了SU(3)×SU(2)×U(1)的李代數結構（對稱群）。雖然标準模型的每一個模塊都能表現出某種對稱性，但整體的對稱性卻必須是破缺的。标準模型内不同力性質上的微弱差别（百分之幾的差别）其實就對應于它們具有稍微不同的對稱性。

圖3 标準模型的粒子分類

然而這些力性質的不同可能隻是一種表象。例如電磁力和弱相互作用力表面看來截然不同，但上個世紀六十年代（1960s）物理學家發現在高溫（高能）的條件下這兩種力其實是一緻的。電磁力和弱力的這種統一性就如同冰和水一樣，我們都知道冰在高溫的時候其實就是水。電弱力之間的這種聯系讓物理學家想到是不是強相互作用也能夠在某種條件下和另外兩種力統一起來，這就産生了一種建立在單一對稱群上的大統一理論（GUT），例如建立在SU（5）對稱群上的大統一理論（1974年Georgi–Glashow model）。

然而無論何種統一場理論都必須有與之對應的可觀測的實驗結果。例如，強相互作用力如果真的和電弱力相統一，那麼質子就一定是不穩定的，也就是經過一個很長是時間，質子應該自發地發生衰變。但是經過很多觀測和尋找，目前還沒有任何一個人看到過質子的衰變過程（實驗給出的質子壽命的下限是1035年）。而且也沒有人觀測到對稱性修正加強後的标準模型（為了彌補标準模型的缺陷擴展了其對稱性，例如參數分層問題，規範耦合常數統一性問題和暗物質問題等）所預言的任何粒子，比如超對稱理論所預言的那些宇宙中還未被發現的超對稱伴粒子（超對稱理論預言宇宙中的每一種已知粒子都存在一個未被發現的超對稱伴粒子）。更為嚴重的是，就是這樣的統一場論其實還是不完備的，因為它依然沒有包含萬有引力。

圖4 愛因斯坦統一基本粒子到宏觀萬有引力的大統一理想

萬有引力是一個非常難以統一的力。描寫宏觀萬有引力的理論，如廣義相對論，是建立在時空連續和平滑的基礎上的，而描寫微觀原子或亞原子的理論卻本質上是不連續和量子化的（用各種量子數描述）。萬有引力和量子理論的這種嚴重的沖突使得至今沒有人可以用一個令所有人信服的理論将強力、弱力、電磁力和引力統一在一個框架下。但是盡管如此，許多物理學家還是做了進一步的嘗試，而其中一個最有希望的理論就是超弦理論。

超弦理論有非常多的追随者，因為這個理論可以用一個單一的對稱群（例如超弦理論的一個分支采用SO(32)對稱群）把所有的力都統一在一個框架下。但是這個理論卻要求我們生活的宇宙是10維或11維的，還需要引入很多未被發現的粒子以及預言了一些看起來從來都不可能被驗證的理論結果。所以我們現在面臨的情況是我們有幾十種大統一的理論，而如果其中有一個理論可能是正确的話，科學家也沒有任何辦法去确定是哪一個。或者反過來說，科學家努力追求的統一場論會不會就是一個傻子的美好願望。

無論如何，物理學家依然在不斷尋找質子衰變的證據，以及他們在地下的深洞内和在瑞士日内瓦歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上繼續尋找超對稱粒子的蹤迹。科學家們相信在LHC上一定能發現Higgs玻色子的存在，而實際上Higgs粒子已經确認被實驗所發現。Higgs粒子是粒子物理中與标準模型基本對稱性有緊密聯系的粒子，也是基本粒子的标準模型拼圖中最後一塊碎片，可以說是粒子物理學中的核心粒子，曾經有上帝粒子之稱。

圖5 宇宙網絡圖和弦論示意圖。粒子的不同性質表現為弦的不同振動

Higgs玻色子的引入來源于弱電統一場中傳遞弱力的中間玻色子質量問題，根據規範場理論這3類中間玻色子應該和光子類似是沒有質量的粒子，但是實驗觀測卻是有質量的，所以質量從哪裡來的問題催生了規範對稱性的自發破缺理論，即Higgs機制，說是質量來源于與Higgs場的相互作用，而這個場所對應的粒子就是Higgs玻色子。2012年7月4日歐洲核子中心CREN宣布他們在LHC 上發現了質量在125到127 Gev/c2的新粒子，之後不同小組對實驗數據的分析和其他小組的其他證據都确認在這個質量窗口的新粒子的發現，根據對這個新粒子參數的确認發現該粒子和标準模型所預言的Higgs粒子的參數一緻，所以被認為是發現了Higgs粒子。

不管怎樣，雖然Higgs被實驗所确認使得大統一理論又往前邁進了一遍，而标準模型的最後一個碎片“引力”卻一直無法被和理統一，但科學家們一直堅信總有一天他們能夠完成标準模型這首偉大的史詩并構建出這個模型背後那個讓人敬畏的更大的對稱性去統一這個世界所有的物理規律。但這個大統一的夢想是否是真實的，目前依然是不得而知。

原文作者簡介：CHARLES SEIFE（美國著名科學新聞撰稿人，紐約大學新聞系教授，普林斯頓大學數學專業學士，耶魯大學數學和哥倫比亞大學新聞學碩士）

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