探索宇宙大统一理论

蒼龙岭

一、宇宙演化的四种基本力

我们宇宙的所有现象都是引力、电磁力、強核力和弱核力这四种基本力相互作用的结果。爱因斯坦等物理学家想构建一个大统一理论来解释所有物质与能源的本质与交互关系，了解宇宙万物来龙去脉驾驭高能量，制造出前所未有的物质形态，成为宇宙的主宰。为达到目标，着手点首先是统一宇宙演化的四种自然力，从最基本的粒子作用开始研究。



引力、电磁力是长程力，管理着世间万物中长力的运行规律，引力主要作用于有质量的粒子之间，通过假设的引力子来传递，也使物体在空间中运动受到曲率的影响。牛顿用万有定律证明了开普勒定律，揭示出行星运行的内在根源是万有引力。

电磁力的应用非常广泛，它主要作用于带电的粒子之间，通过光子来传递电磁力相互作用使带电的粒子之间产生吸引或排斥的力，如电动机就是利用通电线圈在磁场中受到安培力而转动，磁悬浮列车利用安培力平衡重力，托起列车。

弱力和强力是短程力，弱力主要作用于夸克、电子和中微子等，玻色子则负责传递弱力，诱发原子核的衰变。例如，如铀，其原子核会自发地发生放射性衰变，从不稳定的重元素转变为稳定的轻元素。弱力促使原子核释放出α射线是氦原子核，带有两个质子和两个中子。β射线是电子帶有一个负电荷。γ射线是光子，是波长很短的电𥔵波，在α衰变和β衰变的过程中，经常伴随着γ射线的辐射。在太阳的核聚变反应中扮演着重要的角色，这些衰变不仅在自然界中普遍存在，还在医学、工业和能源领域有着广泛的应用。

强力相互作用是最强的基本相互作用，作用于夸克之间，通过胶子来传递。使夸克形成质子和中子，质子带正电荷，按照同性相斥的原理，质子之间应该相互排斥，但在强力的作用下，抵抗了质子之间的排斥电磁力，使质子和中子紧紧束缚在一起，形成了稳定的原子核。强力是化学元素存在的基础，强力也用在核反应和核聚变中，为我们提供了丰富的能源。

强力和弱力都是原子层面的力，两者之间在无形之中束缚和促进着微观宇宙的稳定，而这些微观粒子又相互组合在一起，组成了我们的宏观宇宙。

二、广义相对论和量子力学的矛盾出现和结合进程

广义相对论解释了宏观世界，量子力学解释了微观粒子，但在某些特殊场景物质质量大而尺度小时，黑洞中心和大爆炸时刻的宇宙，两者结合起来就犮生了诸多不可调和的矛盾，比如，广义相对论认为时空是平滑的，质能的存在造成周围时空的弯曲，引力是时空弯曲造成。在微观世界中，空间并非平滑，而是离散和不连续的充满了量子波动，这就使得引力很难被纳入量子理论的框架。

在量子力学理论中，解释力的产生与粒子之间的交换有关。电磁力是由光子的交换产生的，弱力是由玻色子的交换产生的，而强力则是由胶子的交换产生的。这些交换粒子不仅传递了力的作用，也构成了物质之间相互作用的基础。此外，粒子的自身质量在微观尺度上几乎可以忽略，这使得它们之间的引力作用几乎无法检测，在解释引力时遇到了难题。

宏观和微观两个世界物质表现出来的性质是不同的。爱因斯坦等科学家们一直希望 广义相对论和量子力学结合，在统一的框架下，描述四种基本力。四种力统一的问题复杂难懂，进展情况大致如下；

1865年英国科学家麦克斯韦提出了电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的电𥔵学方程组．描述3宇宙间一切电和磁的规律和现象，完成了电和磁的统一。

1954年在微观领域，杨振宁给出了杨-米尔斯方程，以其理论为基础的规范场论是继相对论和量子力学后最成功的理论之一，为现代理论物理起了奠基的作用。成功为量子电动力学、弱相互作用和强相互作用提供了一个基于对称性与群论的数学框架－标准模型，描述了构成宇宙的所有已知基本粒子。

1967年，温伯格发表了轻子模型论文，温伯格的对称性破缺概念，统一了弱力和电磁力。并且电弱统一理论得到了非常严格的实验检验。强力应该也是与电磁力的相互作用分别对应着不同对称性的体现，量子力学经过五十年的发展，成功地整合了四种自然作用力除引力之外的三种：强作用力＋弱作用力＋电磁力。

三、弦理论的基本原理

1968年，弦理论被意外发现，‍弦理论的基本原理认为是物质的基本组成单元並非传统意义上的粒子，而是一种被称为弦的实体构成，有端点的开弦和圈状的闭弦，这些弦以不同频率振动， 构成宇宙里所有微观粒子，包括费米子、 玻色子、希格斯粒子等61种基本粒子，都由这一维的不停振动的能量弦线所组成，弦的长度和张力决定了粒子的质量和性质。由于弦的大小是普朗克尺度10E－33公分，只有用超级强大的粒子加速器，也就是是所谓普朗克能量，相当于10E 20亿电子伏特，大约是－𠆤闪电需要的百万兆倍于质子蕴藏的能量，才有希望看到这么小的尺度。

最早弦理论认为宇宙中有26个维度，引入了超对称和自发对称性破缺，从26个维度降成1 1个维度，这是统一力所需要的最小维度数。其中10个维度中有4个是大尺度的时空维度，就是我们的日常生活空间，上下左右前后和时间（可以通过广义相对论描述），另外有6个额外的致密维度（一维用于描述电磁力，5维用于描述核力）。当时有五个不同定义的弦理论在竞相解释宇宙，最终，统一成一个11维理论——M膜理论。

弦理论的优点是，可以解释从无限小的粒子到无限大的宇宙，引力并非仅是空间的几何形变，同样可以由弦的振动和交换来解释。这样一来，弦理论不仅涵盖了广义相对论对引力的描述，还将电磁力、强力和弱力纳入了一个统一的框架中，有望完成物理界所追求的万有理论。



弦理论的缺点是要增加额外的维度，了解空间维度的几何结构，对于理解宇宙来说是非常基础的环节，科学家们为了理论能够自恰而假设了多维度，维是一个物理学的概念，是指用来事物发展变化的参数，具有变化性，能够用量子方程描述，每一个维度都是宇宙自己可支配的新自由度。17世纪的法国数学家笛卡儿把真实的几何空间转换成抽象的代数方程。维度数越高，越能容纳更多的运动形式，越能统一理解世界。

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1976年，丘成桐证明了卡拉比猜想，其结果应用在超弦理论，成为解开大统一理论的钥匙。人类生活包括时间在内的10个维度的宇宙中，只有4维时空在宏观中可见，真实世界的时空维数是高维的。我们熟悉的三维空间，仅仅是一种最简单的情形。剩下的6维蜷缩在微观中，一个几何结构特异的空间称为卡拉比-丘流形（多维空间中的球面通常被称为流形），普朗克长度下（10E -33厘米）。维度可能是弯曲的，可以构成小的圆圈或者圆环。闭弦类似于引力子，可以随意在膜间移动，开放的弦的端点（开弦）在陷在某些特别的时空区域时无法完全自由地移动。

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从四维空间一直到九维空间，都是物质和时间的空间，使宇宙呈现不同的物理定理和粒子性质，存在物理常量、存在与我们常识观念不同的物理定律。比如在六维空间中，时间可以反转，引力场可以被控制。在十维空间中，根据超弦理论，最小粒子不是实体的物质，而是由不同振动频率的超弦形成的物质，会在不同频率下产生不同的外在表现。解释了为什么在微观尺度上，粒子的自身质量几乎为零，但它们仍然能够产生引力作用，使得粒子间的引力可以通过弦在高维空间的振动来实现，从而解决了广义相对论与量子理论在引力解释上的不一致性。

弦理论需要深厚的数学和物理基础才能深入理解。对世界最前沿的弦理论科普我已经尽自已力所能及了！