5.物理定律能否最終統(tǒng)一？
（Can the Laws of Physics Be Unified？）
（本文來自科學(xué)網(wǎng)張林的博客）
1955年4月18日深夜1點15分左右，美國普林斯頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院內(nèi)，舉世矚目的德國物理學(xué)家、相對論的創(chuàng)始人阿爾伯特·愛因斯坦離開人世，享年76歲。這位在物理學(xué)界曾引起思想革命的偉大物理學(xué)家，在臨終的時候用德語對著只懂英語的助理護(hù)士說了最后一句話，而這句話因為無人聽懂而轉(zhuǎn)瞬即逝，成為他留給這個世界的最后一個迷？對這句話的猜測曾經(jīng)有很多版本，而根據(jù)愛因斯坦最后一直致力于統(tǒng)一場論研究和他最后將自己最新研究成果付之一炬的事實，一個關(guān)于統(tǒng)一場論版本的遺言解讀是： "哦，上帝，大概是我錯了，物理定律在本質(zhì)上其實是無法被統(tǒng)一的。"
關(guān)于物理定律的統(tǒng)一性在目前還是一個夢想，一個被很多科學(xué)家當(dāng)作必然追求并延續(xù)至今的夢想，因為這代表著人類對這個客觀世界所有規(guī)律的一個思想歸宿：統(tǒng)一一定存在，而我們只需要找到它。這正是我們要談?wù)摰膯栴}：物理定律能否被最終統(tǒng)一？
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客觀世界充滿了各種紛繁復(fù)雜的物質(zhì)和現(xiàn)象，然而人類總可以在這些復(fù)雜事物的背后發(fā)現(xiàn)某種普適的東西，這就是物理規(guī)律。不斷被發(fā)現(xiàn)的一個個簡單的物理規(guī)律，對于我們?nèi)祟惗裕褪亲畲笙薅鹊叵诉@個世界的表觀復(fù)雜性。比如經(jīng)常出現(xiàn)的閃電、摩擦絲綢的放電，在地殼中找到的磁石、抬頭看見的極光、發(fā)生在自然界的各種光學(xué)現(xiàn)象，光線在水中的折射和在鏡面上的反射等等現(xiàn)象，人類面對這些現(xiàn)象最后總結(jié)出四個簡單的方程，稱之為麥克斯韋方程。人們驚奇地發(fā)現(xiàn)所有這些經(jīng)典的電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象竟然都遵從這四個方程所給出的規(guī)律（電磁的統(tǒng)一）。麥克斯韋方程組蘊(yùn)藏著令人驚訝的對稱性，無論從數(shù)學(xué)符號和彼此關(guān)系的對應(yīng)上，還是在某種變換下保持不變性，麥克斯韋方程都顯得非常完美。
其實人類很早就想知道這些物質(zhì)到底由什么構(gòu)成。古希臘人就提出用原子的概念去解釋這些現(xiàn)象，后來人類不斷用“撞擊粉碎物質(zhì)”的方法發(fā)現(xiàn)了組成物質(zhì)的非常多的粒子，研究這些不同種類粒子的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變便構(gòu)成了粒子物理學(xué)?，F(xiàn)在粒子物理學(xué)構(gòu)建了一個稱之謂標(biāo)準(zhǔn)模型的理論框架，雖然從表面看它已經(jīng)相當(dāng)完美，無疑是物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)杰出的作品，但它依然是一首沒有最后完成的“作品”。
標(biāo)準(zhǔn)模型在很高的精度上可以描述所有構(gòu)成物質(zhì)的粒子和這些粒子之間所存在的基本力：強(qiáng)相互作用力，用來解釋夸克如何粘在一起形成質(zhì)子和其它復(fù)合粒子（描寫強(qiáng)相互作用的理論被稱為量子色動力學(xué).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"（味代表粒子的身份、種類，描寫弱相互作用的理論被稱為量子味動力學(xué).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(xué).QED）。盡管標(biāo)準(zhǔn)模型能全面地描述所有微觀基本粒子和它們之間的作用力，但它依然還缺少描寫萬有引力。標(biāo)準(zhǔn)模型的這些模塊和碎片預(yù)示著將出現(xiàn)一個更為偉大的理論，這就好比是人們發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)古時期殘缺不全的莎草紙上莎孚（古希臘女詩人）寫下的幾行詩句，背后暗示的是一件更加宏大的作品。
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? 標(biāo)準(zhǔn)模型來自簡潔的對稱性。用數(shù)學(xué)家的語言來說，標(biāo)準(zhǔn)模型的不同模塊展現(xiàn)了SU(3)×SU(2)×U(1)的李代數(shù)結(jié)構(gòu)（對稱群）。雖然標(biāo)準(zhǔn)模型的每一個模塊都能表現(xiàn)出某種對稱性，但整體的對稱性卻必須是破缺的。標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)不同力性質(zhì)上的微弱差別（百分之幾的差別）其實就對應(yīng)于它們具有稍微不同的對稱性。
然而這些力的性質(zhì)不同可能只是一種表象。例如電磁力和弱相互作用力從表面看來截然不同。1960年代，物理學(xué)家就發(fā)現(xiàn)在高溫（高能）的條件下這兩種力其實是一致的。電磁力和弱力的這種統(tǒng)一性如同冰和水一樣，這種聯(lián)系讓物理學(xué)家想到強(qiáng)相互作用是不是也能夠在某種條件下和另外兩種力統(tǒng)一起來，于是產(chǎn)生了建立在單一對稱群上的大統(tǒng)一理論（GUT）。
然而無論如何，統(tǒng)一場理論都必須有與之相對應(yīng)的可觀測的實驗結(jié)果。例如，強(qiáng)相互作用力如果真的和電弱力相統(tǒng)一，那么質(zhì)子就一定是不穩(wěn)定的，即經(jīng)過一個很長的時間階段，質(zhì)子應(yīng)該自發(fā)地發(fā)生衰變。但是，經(jīng)過很多觀測和尋找，目前還沒有任何一個人看到過質(zhì)子的衰變過程，而實驗給出的質(zhì)子壽命的下限是1035年。同樣，也沒有人觀測到對稱性修正加強(qiáng)后的標(biāo)準(zhǔn)模型（為了彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷擴(kuò)展了其對稱性，例如參數(shù)分層問題，規(guī)范耦合常數(shù)統(tǒng)一性問題和暗物質(zhì)問題等）所預(yù)言的任何粒子，比如超對稱理論所預(yù)言的那些宇宙中還未被發(fā)現(xiàn)的超對稱伴粒子（超對稱理論預(yù)言宇宙中的每一種已知粒子都存在一個未被發(fā)現(xiàn)的超對稱伴粒子）。更為困苦的是，這樣建立的統(tǒng)一場論總是不完備，因為它依然沒有包含萬有引力。
萬有引力是一個非常難以統(tǒng)一的力。描寫宏觀萬有引力的廣義相對論，是建立在時空連續(xù)和平滑的基礎(chǔ)上的，而描寫微觀原子或亞原子的理論在本質(zhì)上是不連續(xù)的，或者說是量子化的，它用各種量子數(shù)來描述。萬有引力和量子理論的這種嚴(yán)重沖突使得至今還沒有人可以用一個令所有人信服的理論將四種基本力統(tǒng)一在一個框架下。不過盡管如此，許多物理學(xué)家還是做了進(jìn)一步的嘗試，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隨者，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(tǒng)一在一個框架下。但是，這個理論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(fā)現(xiàn)的粒子以及預(yù)言了一些看起來從來都不可能被驗證的理論結(jié)果?，F(xiàn)在我們所面臨的情況是有幾十種大統(tǒng)一理論，如果其中一個理論可能是正確的話，科學(xué)家也沒有任何辦法去確定是哪一個?；蛘叻催^來說，科學(xué)家努力追求的統(tǒng)一場理論會不會就是一個傻子的美好愿望！
物理學(xué)家們依然在不斷尋找質(zhì)子衰變的證據(jù)，在地下深洞內(nèi)和在瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子中心（CERN）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上繼續(xù)尋找超對稱粒子的蹤跡?？茖W(xué)家們相信在LHC上一定能發(fā)現(xiàn)Higgs玻色子的存在（注：Higgs粒子已經(jīng)確認(rèn)被發(fā)現(xiàn)。它是標(biāo)準(zhǔn)模型拼圖中最后一塊碎片，曾被稱為上帝粒子）。Higgs玻色子的引入緣于弱電統(tǒng)一場中傳遞弱力的中間玻色子的質(zhì)量問題。根據(jù)規(guī)范場理論，3類中間玻色子應(yīng)該和光子類似是沒有質(zhì)量的粒子，但實驗觀測卻是有質(zhì)量的，所以其質(zhì)量從何而來成了一個問題，它催生了規(guī)范對稱性的自發(fā)破缺理論——Higgs機(jī)制。其意思是說質(zhì)量來源于與Higgs場的相互作用，而這個場所對應(yīng)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(fā)現(xiàn)了質(zhì)量在125～127 Gev/c2的新粒子，隨后不同小組對實驗數(shù)據(jù)的分析和其他小組的其它證據(jù)都確認(rèn)在這個質(zhì)量窗口的新粒子的發(fā)現(xiàn)。他們在對這個新粒子的參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)之后，發(fā)現(xiàn)該粒子和標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的Higgs粒子的參數(shù)是一致的，所以被認(rèn)為是發(fā)現(xiàn)了Higgs粒子。不管怎樣，科學(xué)家們堅信，總有一天能夠完成標(biāo)準(zhǔn)模型的構(gòu)建，實現(xiàn)統(tǒng)一這個世界的所有物理規(guī)律的宏偉目標(biāo)。不過我們還得把話說回來，至于大統(tǒng)一的夢想最終是否實現(xiàn)或是否真實，我們目前尚不得而知。
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