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1、大统一和超统一理论,自然界的四种力能否统一起来,杨玉波,目录,引言,每当我们眺望恒古无声的星空，总被宇宙的深遂与广阔吸引，它激发了人类探索大自然奥秘的好奇与热情。人类渡过了蛮荒和蒙昧，涉过了中世纪黑暗的文化沙漠，逐渐认识了大自然的运行规律，步入了科学的圣殿。从此以后，自然科学沿着走向“统一”的轨道迈入了文明的新时代。 自然界存在的四种基本作用（强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用）能不能也从更深刻的角度统一起来？这个问题一直是物理学家十分感兴趣的问题。,自然界的四种相互作用,我们所观察到的一切物质都是由质子、中子、电子和中微子所组成的。当它们相互接近时，四种基本的相互作用力决定着
2、它们的行为： 强相互作用当质子和中子处于10 -15米距离的时候，就会发生强烈的相互作用力。它们正是靠这种强相互作用力的束缚而形成原子核的。例如使太阳发光、发热的核聚变以及当代核反应堆中原子核裂变这类的反应，都是这种相互作用的不同表现形式。 电磁相互作用这是大家比较熟悉的一种相互作用力，它存在于一切带电、带磁的物体和一切存在电磁场的物质之间。这种力维持着原子成为一个整体，还支配着地球上一切已知的生命现象和活动。 弱相互作用质子、中子、电子和中微子在相距10-18米的时候，还可以通过弱力发生相互作用。像原子核的b衰变就是由弱相互作用引起的。b衰变是原子核自发地放射出b粒子（电子或正电子）或俘获一
3、个轨道电子而发生的转变。 引力引力存在于一切物体之间。这种支配着行星、恒星和星系行为及一切重力现象的相互作用，决定着我们宇宙的基本特征。,这四种相互作用的性质大相径庭，它们的强度也相差很大。如果把强相互作用的强度当作1，那么电磁相互作用的强度就是10-2（0.01），弱相互作用的强度则为10-10（100亿分之一），而引力强度仅为10-40（就是一亿亿亿亿亿分之一）。可见其强度相差极为悬殊。如果再仔细比较还会发现，它们在相互作用的力程、作用时间、被作用粒子以及力的传递者（场）等诸方面都存在着差异。为什么自然界会存在四种相互作用力？它们之间有何内在联系？它们产生的根源是什么？它们是否能统一起来？
4、从本世纪初，就有许多科学家开始研究思考这些诱人的问题。,“自然界应当满足简单性原则”,从远古时代起，人们就想利用尽可能少的综合概念来解释自然界的全部复杂性。 伽里略论证了“一切物体以等加速下落”，从而统一了相同高度下，轻、重物体下落的速度、加速度； 牛顿则将使物体下落的作用与支配星体运动的作用统一到一个概念下“万有引力”，从此人们知道了使苹果落地的力和保持行星在太阳周围轨道上运动的力是同一种力； 英国科学家卢瑟夫发现了原子结构的奥秘，打开了原子世界的大门，统一了所有原子的基本组分中子、质子和电子； 丹麦科学家奥斯特发现的“电流磁效应”和英国科学家法拉第发现的“电磁感应定律”为电力和磁力的统一拉
5、开了序幕， 麦克斯韦出色地将电和磁统一为一体，并预言了电磁波的存在，使人们认识到热辐射、光波、无线电波和X 射线都是电磁相互作用的各种不同的表现； 门捷列夫把组成天地万物的一切元素统一在周期律的框架下，为现代化学奠定了基础，也为现代科技的发展提供了强有力的分析依据； 爱因斯坦的相对论更是集大成的理论，它将过去认为互不相关的“惯性质量”与“引力质量”统一到一个方程中，把时间、空间和万有引力、划为一统,人类似乎意识到大自然规律的内在简洁与和谐。 爱因斯坦在创建相对论时就意识到，自然科学中“统一”的概念或许是一个最基本的法则。还在30年代爱因斯坦就着手研究“大统一理论”，试图将当时已发现的四种相互作
6、用统一到一个理论框架下，从而找到这四种相互作用产生的根源。这一工作几乎耗尽了他后半生的精力，以致于一些史学家断言这是爱因斯坦的一大失误。但是，在爱因斯坦的哲学中，“统一”的概念深深扎根于他的思想中，他越来越确信“自然界应当满足简单性原则”。虽然“大统一理论”没有成功，可是建立统一理论的思想却始终吸引着成千上万的物理学家们。,60年代美国物理学家温伯格等人在爱因斯坦“统一”思想的激励下统一了电磁相互作用与弱相互作用，从而再一次印证了爱因斯坦哲学的深遂与高瞻远瞩。 80年代是理论物理学的一个辉煌时代，在爱因斯坦“统一”概念的指引下，许多物理学家提出了种种理论去统一粒子物理学中的许多基本规律，并取得
7、了阶段性的成果。其中关于引力量子化的研究是“统一”理论所迈出的又一步。一种理论预言了传递万有引力相互作用的基本单元引力子和另外两种玻色子，是它们的共同作用维系了星体运动的基本规律，这也是迄今为止人类对万有引力的最深入认识。在这一认识基础上，不少科幻作家大做文章，设想了种种屏蔽引力的方法和宇航飞行器，如采用负能势垒去消除两种引力玻色子的作用，只留下引力子，这样，物体的引力基本上就被屏蔽起来。但这种设想如何从技术上实现却困难重重。 进入90年代，理论物理学进入了一个相对平静的时期，但平静中总酝酿着新的突破，特别是粒子物理学在实验技术上的进步已可能使人们对80年代的许多预言进行验证。可以这样说，任何
8、一个理论预言一旦被验证，对于物理学来说都是一次飞跃。,自牛顿时代至今天，人类认识的每一步几乎都是在“统一”的思路引导下前进的。牛顿对天上和地下的力的统一，爱因斯坦对引力和时空的统一，不但使物理学发生了石破天惊的飞跃，而且也激起了工业、生产力的革命。“统一”的思想引导无数的科学家们去揭示大自然深层的奥秘，并取得了一系列重大成果。或许在即将到来的新世纪，科学家们将沿着“统一”的道路，实现爱因斯坦“大统一”的梦想，取得翻天覆地的突破。,统一征途中的“规范场”,从目前所做的工作来看，要想了解相互作用的统一问题，首先应当了解规范场。所谓规范场，简单地说就是传递相互作用的场，不同的规范场传递不同的相互作用
9、。自然界的物质运动规律有许多不变性，例如在远小于光速的任何地方，牛顿定律都具有相同的形式。带电粒子在电磁场中的运动规律也有一种不变性，麦克斯韦方程在闵柯夫斯基四维空间坐标变换下形式不变等。,到40年代末50年代初，人们对电磁相互作用的研究达到了相当深入的程度，建立了所谓量子电动力学理论，由于它和实验结果完全一致，从而证明了它是正确的。特别要指出的是，人们通过研究发现，量子电动力学理论是一种规范场理论。规范场理论中都有规范场或者规范粒子，规范粒子的作用就是传递相互作用，例如电磁作用中的规范粒子就是光子，它传递带电粒子之间的电磁相互作用。电磁场是发现最早的，也是最简单的规范场。科学家们在继续努力从
10、理论上引进其它的规范场，把它们用于其它的相互作用中去。,1954年，著名的美籍中国物理学家杨振宁和美国物理学家RL密耳斯首先研究了这种推广。他们从纯数学上引入了三个规范场，10年之后终于发现，原来它是传递弱相互作用的场，就是所谓的“中间玻色子场”。但是他们的理论中有很尖锐的矛盾，一直到1964年，物理学家PW里格斯才解决了这个矛盾。1982年到1983年，实验上果然相继发现了这三种中间玻色子W+、W-和Z0，并且实验数据和理论预言相符。40多年来，人们一直在探索强相互作用的本质，始终没有得到令人满意的结果。一门新学科“量子色动力学”的创建给人们带来了希望，许多物理学家认为，这或许是多年来梦寐以
11、求的处理强相互作用的方法。我们知道原子核是由核子（质子和中子）构成的，那么核子是否由更小的粒子构成呢？1964年物理学家曾预言，核子是由夸克（中国物理学家将它称为“层子”）构成的，而夸克与夸克间又由另一种小不点胶子“粘”到一起。量子色动力学形象地说，夸克（层子）有“味道”，还有三种“颜色”。在这里必须引入8种规范场（称为“胶子场”），它的规范粒子就是胶子，这些胶子传递着夸克（层子）之间的强相互作用。1979年8月，在佩特拉对撞机上找到了胶子的踪迹。从目前看来，规范场理论可能成为人们探索相互作用统一的强有力工具。,统一、大统一、超统一理论的现状,在介绍各种相互作用的统一之前，首先说明标题所示的三
12、个概念： 统一理论：弱相互作用和电磁相互作用统一的理论即“弱电统一理论”； 大统一理论：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用统一的理论； 超统一理论：四种相互作用统一的理论，这也是爱因斯坦半生的宿愿。,把力“聚集在一起”，从温度和能量角度是什么含义呢？ 一个系统的对称性往往取决于该系统的温度或能量的高低，通常高温（或高能）时比低温（或低能）时更对称。例如：液体是所谓“各向同性的”，就是各个方向在结构上和性质上都是等同的，也就是对称的。但是当它冷却的时候，可能形成晶体，而晶体却不是各向同性的。因此，物理学家把所观察到的自然界的不对称性（或者说四种力不能统一），看作是宇宙间占优势的低温而形成的产物
13、。由此推论，在高温（高能）的时候，宇宙固有的对称性表现得必然明显。在这种情况下，就有可能将四种相互作用统一起来，这要求温度得超过1029K（ 10万亿亿亿K）或者能量超过1016吉电子伏（1吉电子伏=109电子伏），这样的高温在目前很难实现。60年代，美国物理学家赛鲁登莱格拉肖(1932年)，斯特文温怕格(1933年)，巴基斯坦物理学家萨拉姆仔细地研究了电磁相互作用和弱相互作用，并加以比较之后先后分别提出了将弱和电磁作用统一的规范理论。这个理论引入了4个规范场，三个中间玻色子（W+、W-和Z0）有很大的质量，已在1983年被发现；剩下的一个没有质量，就是光子。这样就把弱相互作用和电磁相互作用统
14、一在一个理论之中了，称为“弱电统一理论”。该理论最重要的预言已被实测证实。规范场理论在相互作用统一的征途上已初露锋芒。,由于弱相互作用和电磁相互作用在规范场理论基础上的统一所取得的成果，以及量子色动力学在讨论强相互作用中的优越性，很自然会使人们提出在规范场理论基础上将强、弱和电磁三种作用统一起来的要求。1974年乔治和格拉肖提出了将强、弱和电磁三种相互作用统一起来的“大统一规范理论”。这个理论认为当能量达到1015吉电子伏数量级时，三种相互作用将统一成一种。,这种理论有若干有趣的预言： (1)当能量逐渐增高的时候，强相互作用逐渐减弱，电弱相互作用却逐渐增强；当能量达到1015吉电子伏时统一成一
15、种相互作用。 (2)除了光子、中间玻色子（W+、W-和Z0）和胶子，还有新的12种质量很重的规范粒子，它们可以传递夸克和轻子之间新的相互作用，使夸克和轻子之间可以互相转化，因此质子可以衰变，并估算出质子得寿命为1031（1000万亿亿亿）年（详见“质子衰变之谜”）。 (3)解释了电荷量子化的原因。 (4)说明了为什么宇宙中反物质比物质少的原因。 (5)中微子应该具有质量，等等。这是非常令人兴奋的结果。自从大统一理论提出之后，很多国家纷纷进行证明质子衰变的实验，虽然有很多报导，但至今尚没有获得质子衰变的可靠事例（详见“质子衰变之谜”）。关于中微子的质量是否为零，人们仍在不断的探索着。前苏联的一次实验声称已观察到中微子质量不等于零。,大统一理论的贡献几乎是难以估量的。它显然是实现爱因斯坦“把所有相互作用都统一起来”的梦想的先兆！虽然大统一理论还没有成功，但是在它的鼓舞下，目前已有很多人借助于规范场武器，着手研究把四种基本相互作用统一起来的“超统一理论”。从发展来看，四种相互作用很可能有一个共同的起源，未来物理学的一个宏伟目标就是找到它们更本质的联系。尽管超统一理论还面临不少困难，但许多科学家依然对前途充满信心。,The end,thank you!,杨玉波 （安全技术及工程）,
