大統一理論:一把解開宇宙終極奧秘的鑰匙,就連愛因斯坦都找不到

2020-12-03 無釐頭小學弟

眾所周知,宇宙中存在著四種基本力:引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力。

理論上,宇宙間所有現象都可以用這四種作用力來解釋。

但這4種力的強度大小和作用範圍都相差十分巨大。

例如,引力的強度雖然只有強相互作用力的100萬億億億億分之一,但前者的作用範圍卻非常大,從理論上說可以一直延伸到無限遠的地方,屬於長程力;

而強相互作用力的範圍卻很小,只有1釐米的10萬億分之一,屬於短程力;

弱相互作用力也是短程力,力程不到1釐米的1000萬億分之一,強度是強相互作用力的1萬億分之一;

電磁力與引力一樣是長程力,但它的強度要比引力大得多,是強相互作用力的1/137。

如此懸殊的差異,卻能在宇宙中和諧相處,這不免讓科學家們疑惑:

自然界為什麼有這4種相互作用?這4種相互作用是否只有差異而無共同之處?當處於一定條件下時,能不能建立一個理論,將這4種力全部囊括進來,統一說明?

這就是「大統一理論」的由來。

而說到「大統一理論」,一個人不得不提——愛因斯坦。

作為歷史上第一個認真思索並付諸行動的物理學家,早在提出廣義相對論(註:廣義相對論於1916Ian發表)不久後,愛因斯坦就在著手研究「大統一理論」。

因為在他的哲學中,「統一」的概念根深蒂固,他深信自然界應當滿足簡單性原則,所以必定存在著一種理論,能夠用來解釋宇宙中的所有現象。

他試圖先建立一個囊括引力和電磁力的理論,等理論成熟之後,再推進一步,將剩下的2種力也歸納進來,從而形成完全版的「大統一理論」。

但很遺憾,即便是耗費了後半生的精力,直到愛因斯坦1955年逝世為止,甚至連第一步都沒有實現,這也成了愛因斯坦一生的遺憾。

據說在愛因斯坦臨死前,他的手中依然攥著演算「大統一理論」的稿紙。

在這之後,「大統一理論」一度沉寂良久,直到史蒂芬·溫伯格的出現。

溫伯格同樣是一位偉大的物理學家,他自幼崇敬愛因斯坦,同樣也是統一思想的忠實擁躉,自然而然的就接過了這一項偉大的工程。

既然引力和電磁力的統一障礙重重,那能不能先統一其他相互作用呢?

溫伯格沒有走愛因斯坦的老路——去研究引力和電磁力的關係,而是將目光放到了弱相互作用力和電磁力身上。

從50年代末到60年代,在基本粒子理論領域裡,「對稱性自發破缺理論」獲得了較大的發展。

「對稱性自發破缺理論」認為:一些不同的現象或規律可追溯到同一源頭,最初有著共同的對稱性,後來由於種種原因對稱性被自發地破壞,這樣我們就可以從對稱性來研究它們的共性,從對稱性自發破缺機制來研究它們的特殊性。

溫伯格自然也開始進行「對稱性自發破缺理論」的研究,並漸漸意識到這將是通向相互作用統一理論的合適道路。

1967年秋,溫伯格終於確定了」弱相互作用「和」電磁相互作用「可根據嚴格的、但自發破缺的規範對稱性的思想進行統一的表達。

他的理論結果發表在這一年的《物理評論快報》上,題目是——「一個輕子的模型」。

《物理評論快報》是1958年美國創辦的世界著名的物理學頂級學術周刊

這是科學上第一個成功的相互作用統一理論,並且該理論中所預言的中間玻色子「W」和「Z」,在1983年被歐洲核子研究中心找到。

「弱電統一理論」的成功,肯定了相互作用統一思想的正確性,促使更多的科學家進一步去研究把「強相互作用」、「弱相互作用」和「電磁相互作用」統一在一起的」統一理論「,以及把」引力相互作用「也統一進去的」大統一理論「。

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