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統一場論是一種只用單一場論就可以允許所有種類的基本相互作用之間的基本粒子,在同一原則之下可以解釋他們之間關係的物理理論。截至目前為止尚沒有成功的統一場論出現,而統一場論也是今日物理學界研究的重點之一。統一場論這個名詞首先由阿爾伯特·愛因斯坦提出,他同時也是試圖整合廣義相對論以及電磁學成為一個單一場論的物理學家。「萬有理論」和統一場論相當的接近,但是它們之間不同的是「萬有理論」並不要求將自然界基礎當作是場,且萬有理論也試圖解釋所有自然界中的常數的成因。

1 統一場論 -統一場論

2 統一場論 -正文

  從相互作用是由場(或場的量子)來傳遞的觀念出發,統一地描述和揭示基本相互作用的共同本質和內在聯繫的物理理論。迄今人類所知的各種物理現象所表現的相互作用,都可歸結為四種基本相互作用,即強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。
統一場論11維超引(重)力-來源圖
 
  闡明自然界各種相互作用的性質和規律,本是物理學基礎研究的一個極其重要的方面。而追求建立相互作用的統一理論,則是出於對物質世界的統一和諧的堅定哲學信念和要竭力探求事物內在本性的頑強慾望。A.愛因斯坦把他後半生的精力獻給了這一事業。在他的深刻思想的影響下,統一場論已成為20世紀物理學的重要研究方向。
  早期的(引力-電磁)統一場論研究  19世紀中葉J.C.麥克斯韋的電磁場理論統一了電的作用和磁的作用;它是歷史上第一個幾種相互作用的統一理論。20世紀初,愛因斯坦破除I.牛頓的引力論中超距作用觀念,把場的觀點引進引力理論而創立了廣義相對論(1916)。其後不久,便出現了以統一引力場和電磁場為目標的統一場論研究熱潮,而當時人類知道的基本相互作用只有引力作用和電磁作用。
  由於在廣義相對論中引力場被描述為時空的彎曲,因此,設法進一步把電磁場也和時空的其他幾何屬性聯繫起來,便成為那時統一電磁作用和引力作用的各種理論方案的中心思想。例如,H.韋耳把電磁場和時空的尺度變換相聯繫;T.F.E.卡魯查和A.克萊因則把電磁勢當作五維時空度規張量的部分分量;而愛因斯坦則將時空的度規或聯絡從對稱的推廣為不對稱的,然後把不對稱部分同電磁場聯繫起來。物理學的幾何化,可說是早期統一場論研究的一大特色,此外,所有這些理論方案都只考慮經典場論(即宏觀的引力和電磁現象),沒有涉及場的量子效應。
  經過大約20年的努力,所有統一電磁場和引力場的嘗試都沒有獲得成功,但對於數學中微分幾何的發展卻有很大推動。隨著量子論的興起,物理學主流轉入微觀領域,早期統一場論的研究到30年代末漸趨衰落,只有愛因斯坦堅持不懈直至逝世。
  海森伯的統一場論方案  50年代初,人們已經認識到,自然界的基本相互作用還應包括微觀粒子之間的強相互作用和弱相互作用;統一場論的目標也隨之擴大。那時W.K.海森伯曾提出一個非線性的旋量場方程,企圖從它導出基本粒子的質量譜並解釋它們的相互作用性質,但也始終未成功。
  電弱統一規範理論  從50年代末起,統一場論的研究又走向高潮,這是理論和實踐兩方面的新的發展所致。  
統一場論11維超引(重)力圖
 
  1954年楊振寧和R.L.密耳斯把電磁作用是由定域規範不變性所決定的觀念(這原是韋耳統一場論的合理內核,不過時空尺度變換應改為帶電粒子的相位變換),推廣到不可對易的定域對稱群。這就揭示出規範不變性可能是電磁作用和其他作用的共同本質,從而開闢了用規範原理來統一各種相互作用的新途徑。而後,實驗上又弄清弱作用是普適的V-A型相互作用,和電磁作用有許多共同特點,這就促使人們開始認真考慮它們的統一問題。經過許多科學家近20年的共同努力,電弱統一理論取得了很大的成功。
  現在大家接受的電弱統一理論,是一種自發破缺的規範理論。弱作用和電磁作用都是由規範原理所要求的場(即規範場)來傳遞的,這自然地解釋了二者的共性(普適性和矢量型)。與弱作用相聯繫的規範對稱性又是自發破缺的,通過黑格斯機制使傳遞弱作用的中間玻色子獲得了很重(約1011eV/c2)的質量,這便解釋了弱作用同電磁作用的差異(前者力程短、耦合弱)。自發破缺規範理論還有一大優點,即在量子化后做進行微擾計算中出現的發散困難是可重正化的。
  選取不同的規範群和破缺方案,把夸克和輕子填入規範群的不同表示,可以得到不同的電弱統一模型。S.L.格拉肖、S.溫伯格和A.薩拉姆提出的SU(2)×U(1)模型,預言了弱中性流和粲數的存在及其性質,均為以後一系列的實驗所證實。由於他們對電弱統一理論的重大貢獻,這三位學者獲得了1979年度諾貝爾物理學獎。1983年,中間玻色子W±和Z0相繼發現,是對電弱統一理論的重要支持。不過黑格斯粒子和黑格斯機制都尚須實驗進一步予以檢驗。
  大統一規範理論  關於強作用,目前已有一種有希望成功的理論,即量子色動力學;它是個不破缺的SU(3)規範理論。因此,從70年代中期起,很自然地在電弱統一規範理論取得成功的基礎上,人們又開始了新的探索,其目標是把強作用乃至引力作用通過規範原理和電弱作用相統一。
  所謂大統一理論,就是試圖依照電弱統一理論的同樣觀念和方法(即規範場加自發對稱性破缺),來實現強、電磁和弱三種相互作用的統一,不過要將規  范群推廣為包含子群SU(3)×SU(2)×U(1)的一個更大的單純群〔如SU(5)、SO(10)或E(7)等〕而已。按照這種理論,各種相互作用的強度是隨能量而變化的。當  能量增加時,強作用逐漸變弱,而電弱作用則變強。在能量達到大約1024eV時,三種作用強度變成相等而統一為一種規範作用(由該單純群作為規範群)。大統一規範理論有一個驚人的預言,即質子是不穩定的,它會衰變為別的粒子,其壽命估計為1031±2年。
統一場論GUT大統一場-五種弦圖
 不過,到目前為止,這個預言沒有在實驗上得到證實。
  此外,還有人嘗試把超對稱性(玻色子-費密子對稱性)引入大統一理論,企圖解決大統一理論本身的一些問題(如規範等級問題)。不過超對稱性帶來的問題似乎比解決的問題更多。更有人討論超統一(又叫做擴充超引力)理論,試圖用超對稱性同時把引力和其餘三種相互作用在1028eV的能量下實現統一。最近,為了尋找新的途徑,人們又重新對卡魯查的高維空間統一場論發生了興趣。開始認真地考慮四維之外的其他維度的物理效應。另外還有人嘗試把超對稱性和高維空間結合起來,等等。所有這些把四種相互作用全統一起來的理論嘗試現在都很不成熟,未能給出現實的統一方案。而且在這樣的能量下,引力的量子效應已開始變得重要,而到目前為止,還沒有令人滿意的量子化的引力理論。可見,距離真正實現愛因斯坦的宏大設想還相當遠。
  總之,各種不同層次的統一規範場論,包括電弱統一和大統一規範場論,已經而且仍將是理論物理的中心課題之一。建立統一場論的理想將繼續鼓舞人們
統一場論希格斯場圖

 不斷深入地頑強探索自然的奧秘。

統一場論弱電統一場圖

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