物理学中有哪些理论没有被证明（物理大统一理论是不是真的存在）

面对复杂的世界，人类对不同物质和现象总结出一个个不同的规律和方程，而这些规律和方程都是在一定范围内才成立，比如宏观物质满足宇宙学的方程，我们生活的经典尺度的满足牛顿方程和麦克斯韦电磁学等方程，微观物质则满足量子力学的规律和方程，更小的基本粒子则又满足其它的方程和规律，所以人类就有一个问题：宇宙存不存在一个统一的规律和方程？此即大统一理论，而大统一的努力在不同层次上也取得了进步，下面来看这个问题：

5.物理定律能否最终获得统一？Can the Laws of Physics Be Unified？

1955年4月18日深夜1点15分左右，美国普林斯顿大学医学院内，举世瞩目的德国物理学家，《相对论》的创始人阿尔伯特·爱因斯坦离开人世，享年76岁。这位在物理学界曾引起思想革命的伟大物理学家，在临终的时候用德语对着只懂英语的助理护士说了最后一句话，而这句话因为无人听懂而转瞬即逝，成为他留给这个世界的最后一个迷？对于这句话的猜测曾经有很多版本，而根据爱因斯坦最后一直致力于统一场论的研究和最后将自己的最新研究成果付之一炬的事实，一个关于统一场论版本的最后遗言是这样的： "哦，上帝，大概是我错了，物理定律本质上其实是无法被统一的"。

以上的故事的最后一句当然是杜撰，关于物理定律的统一性其实就是一个梦想，一个被很多科学家当作必然追求并延续至今的梦想，因为这代表着人类对这个客观世界所有的规律的一个思想归宿：统一一定存在，而我们只需要找到它。这就是我们今天要谈论的问题：物理定律能否被最终统一？

图1 致力于大统一理论的爱因斯坦

人类周围的客观世界，充满了各种纷繁复杂的物质和现象，然而人类总可以在这些复杂事物的背后发现某种普适的东西，这就是物理规律。在客观世界中不断被发现的一个个简单的物理规律对我们人类来讲，其实就是最大限度地消除了这个世界的表观复杂性。比如面对地球上经常出现的闪电、摩擦丝绸的放电，在地壳中找到的磁石、抬头看见的极光、发生在自然界的各种光学现象，光线在水中的折射和在镜面上的反射等等现象，面对这些复杂的现象人类最后总结出四个简单的方程，我们现在称之为麦克斯韦方程。

人们惊奇地发现所有这些经典的电现象和磁现象竟然都遵从这四个方程所给出的规律（电磁的统一）。麦克斯韦方程从形式上来看，本身就展现着美，因为方程中蕴藏着令人惊异的对称性，无论从数学符号和彼此关系的对应上，还是在某种变换下保持的不变性上，麦克斯韦方程都显得非常完美，而这种美就如同莎士比亚的十四行诗对诗人一样，总让人充满赞叹。

面对这个世界大大小小各种形态的物质的时候，其实人类很早就想知道这些物质到底由什么构成。首先人们发现，自己吃的是大米，但为什么长出了头发和指甲，对这类现象的思考，古希腊人就提出用原子的概念去解释这些现象。后来人类不断用“撞击粉碎物质”的方法发现了组成物质的非常多的粒子，研究这些不同种类粒子的产生和转变便构成了粒子物理学，直到今天，粒子物理学形成了一个称之谓标准模型的理论框架。这个理论框架从表面看起来已经相当完美，但它依然是一首没有最后完成的“诗词”。尽管标准模型有些地方依然支离破碎，有些地方仍然没有最后完成，但它无疑是物理学领域内杰出的作品，因为它在很高的精度上可以用来描述所有构成物质的粒子和这些粒子之间所存在的基本力。

图2 宇宙的结构层次和不同层次的规律

这些基本的模块包括：强相互作用力，用来解释夸克如何粘在一起形成质子和其他的复合粒子（描写强相互作用的理论被称为量子色动力学QCD）；弱相互作用力，用以解释带电的基本粒子如何改变它们的"味道"（味的身份种类，描写弱相互作用的理论被称为量子味动力学QFD）；电磁力，用来描述所有带电物体之间的相互作用（描写电磁相互作用的理论被称为量子电动力学QED）。尽管标准模能全面地描述所有微观基本粒子和它们之间的作用力，但它依然还是一件缺少某些基本碎片的绝美瓷器，在这些缺失的陶瓷碎片里有一些就应该是用来描写万有引力的。标准模型的这些模块和碎片预示着一个更为伟大的理论，这就好比是人们发现了远古时期残缺不全的莎草纸上莎孚（古希腊的女诗人）写下的几行诗句，背后暗示的是一件更加宏大的作品。

标准模型的美来自其简洁的对称性。用数学家的语言来说，标准模型的不同模块展现了SU(3)×SU(2)×U(1)的李代数结构（对称群）。虽然标准模型的每一个模块都能表现出某种对称性，但整体的对称性却必须是破缺的。标准模型内不同力性质上的微弱差别（百分之几的差别）其实就对应于它们具有稍微不同的对称性。

图3 标准模型的粒子分类

然而这些力性质的不同可能只是一种表象。例如电磁力和弱相互作用力表面看来截然不同，但上个世纪六十年代（1960s）物理学家发现在高温（高能）的条件下这两种力其实是一致的。电磁力和弱力的这种统一性就如同冰和水一样，我们都知道冰在高温的时候其实就是水。电弱力之间的这种联系让物理学家想到是不是强相互作用也能够在某种条件下和另外两种力统一起来，这就产生了一种建立在单一对称群上的大统一理论（GUT），例如建立在SU（5）对称群上的大统一理论（1974年Georgi–Glashow model）。

然而无论何种统一场理论都必须有与之对应的可观测的实验结果。例如，强相互作用力如果真的和电弱力相统一，那么质子就一定是不稳定的，也就是经过一个很长是时间，质子应该自发地发生衰变。但是经过很多观测和寻找，目前还没有任何一个人看到过质子的衰变过程（实验给出的质子寿命的下限是1035年）。而且也没有人观测到对称性修正加强后的标准模型（为了弥补标准模型的缺陷扩展了其对称性，例如参数分层问题，规范耦合常数统一性问题和暗物质问题等）所预言的任何粒子，比如超对称理论所预言的那些宇宙中还未被发现的超对称伴粒子（超对称理论预言宇宙中的每一种已知粒子都存在一个未被发现的超对称伴粒子）。更为严重的是，就是这样的统一场论其实还是不完备的，因为它依然没有包含万有引力。

图4 爱因斯坦统一基本粒子到宏观万有引力的大统一理想

万有引力是一个非常难以统一的力。描写宏观万有引力的理论，如广义相对论，是建立在时空连续和平滑的基础上的，而描写微观原子或亚原子的理论却本质上是不连续和量子化的（用各种量子数描述）。万有引力和量子理论的这种严重的冲突使得至今没有人可以用一个令所有人信服的理论将强力、弱力、电磁力和引力统一在一个框架下。但是尽管如此，许多物理学家还是做了进一步的尝试，而其中一个最有希望的理论就是超弦理论。

超弦理论有非常多的追随者，因为这个理论可以用一个单一的对称群（例如超弦理论的一个分支采用SO(32)对称群）把所有的力都统一在一个框架下。但是这个理论却要求我们生活的宇宙是10维或11维的，还需要引入很多未被发现的粒子以及预言了一些看起来从来都不可能被验证的理论结果。所以我们现在面临的情况是我们有几十种大统一的理论，而如果其中有一个理论可能是正确的话，科学家也没有任何办法去确定是哪一个。或者反过来说，科学家努力追求的统一场论会不会就是一个傻子的美好愿望。

无论如何，物理学家依然在不断寻找质子衰变的证据，以及他们在地下的深洞内和在瑞士日内瓦欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上继续寻找超对称粒子的踪迹。科学家们相信在LHC上一定能发现Higgs玻色子的存在，而实际上Higgs粒子已经确认被实验所发现。Higgs粒子是粒子物理中与标准模型基本对称性有紧密联系的粒子，也是基本粒子的标准模型拼图中最后一块碎片，可以说是粒子物理学中的核心粒子，曾经有上帝粒子之称。

图5 宇宙网络图和弦论示意图。粒子的不同性质表现为弦的不同振动

Higgs玻色子的引入来源于弱电统一场中传递弱力的中间玻色子质量问题，根据规范场理论这3类中间玻色子应该和光子类似是没有质量的粒子，但是实验观测却是有质量的，所以质量从哪里来的问题催生了规范对称性的自发破缺理论，即Higgs机制，说是质量来源于与Higgs场的相互作用，而这个场所对应的粒子就是Higgs玻色子。2012年7月4日欧洲核子中心CREN宣布他们在LHC 上发现了质量在125到127 Gev/c2的新粒子，之后不同小组对实验数据的分析和其他小组的其他证据都确认在这个质量窗口的新粒子的发现，根据对这个新粒子参数的确认发现该粒子和标准模型所预言的Higgs粒子的参数一致，所以被认为是发现了Higgs粒子。

不管怎样，虽然Higgs被实验所确认使得大统一理论又往前迈进了一遍，而标准模型的最后一个碎片“引力”却一直无法被和理统一，但科学家们一直坚信总有一天他们能够完成标准模型这首伟大的史诗并构建出这个模型背后那个让人敬畏的更大的对称性去统一这个世界所有的物理规律。但这个大统一的梦想是否是真实的，目前依然是不得而知。

原文作者简介：CHARLES SEIFE（美国著名科学新闻撰稿人，纽约大学新闻系教授，普林斯顿大学数学专业学士，耶鲁大学数学和哥伦比亚大学新闻学硕士）