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unified field theories

  从相互作用是由场(或场的量子)来传递的观念出发,统一地描述和揭示基本相互作用的共同本质和内在联系的物理理论。迄今人类所知的各种物理现象所表现的相互作用,都可归结为四种基本相互作用,即强相互作用电磁相互作用弱相互作用引力相互作用

  阐明自然界各种相互作用的性质和规律,本是物理学基础研究的一个极其重要的方面。而追求建立相互作用的统一理论,则是出于对物质世界的统一和谐的坚定哲学信念和要竭力探求事物内在本性的顽强欲望。A.爱因斯坦把他后半生的精力献给了这一事业。在他的深刻思想的影响下,统一场论已成为20世纪物理学的重要研究方向。

目录

早期的(引力-电磁)统一场论研究

  19世纪中叶J.C.麦克斯韦的电磁场理论统一了电的作用和磁的作用;它是历史上第一个几种相互作用的统一理论。20世纪初,爱因斯坦破除I.牛顿的引力论中超距作用观念,把场的观点引进引力理论而创立了广义相对论(1916)。其后不久,便出现了以统一引力场和电磁场为目标的统一场论研究热潮,而当时人类知道的基本相互作用只有引力作用和电磁作用。

  由于在广义相对论中引力场被描述为时空的弯曲,因此,设法进一步把电磁场也和时空的其他几何属性联系起来,便成为那时统一电磁作用和引力作用的各种理论方案的中心思想。例如,H.韦耳把电磁场和时空的尺度变换相联系;T.F.E.卡鲁查和A.克莱因则把电磁势当作五维时空度规张量的部分分量;而爱因斯坦则将时空的度规或联络从对称的推广为不对称的,然后把不对称部分同电磁场联系起来。物理学的几何化,可说是早期统一场论研究的一大特色,此外,所有这些理论方案都只考虑经典场论(即宏观的引力和电磁现象),没有涉及场的量子效应。

  经过大约20年的努力,所有统一电磁场和引力场的尝试都没有获得成功,但对于数学中微分几何的发展却有很大推动。随着量子论的兴起,物理学主流转入微观领域,早期统一场论的研究到30年代末渐趋衰落,只有爱因斯坦坚持不懈直至逝世。

海森伯的统一场论方案

  50年代初,人们已经认识到,自然界的基本相互作用还应包括微观粒子之间的强相互作用和弱相互作用;统一场论的目标也随之扩大。那时W.K.海森伯曾提出一个非线性的旋量场方程,企图从它导出基本粒子的质量谱并解释它们的相互作用性质,但也始终未成功。

电弱统一规范理论

  从50年代末起,统一场论的研究又走向高潮,这是理论和实践两方面的新的发展所致。

  1954年杨振宁和R.L.密耳斯把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念(这原是韦耳统一场论的合理内核,不过时空尺度变换应改为带电粒子的相位变换),推广到不可对易的定域对称群。这就揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质,从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径。而后,实验上又弄清弱作用是普适的V-A型相互作用,和电磁作用有许多共同特点,这就促使人们开始认真考虑它们的统一问题。经过许多科学家近20年的共同努力,电弱统一理论取得了很大的成功。

  现在大家接受的电弱统一理论,是一种自发破缺的规范理论。弱作用和电磁作用都是由规范原理所要求的场(即规范场)来传递的,这自然地解释了二者的共性(普适性和矢量型)。与弱作用相联系的规范对称性又是自发破缺的,通过黑格斯机制使传递弱作用的中间玻色子获得了很重(约1011eV/c2)的质量,这便解释了弱作用同电磁作用的差异(前者力程短、耦合弱)。自发破缺规范理论还有一大优点,即在量子化后做进行微扰计算中出现的发散困难是可重正化的。

  选取不同的规范群和破缺方案,把夸克和轻子填入规范群的不同表示,可以得到不同的电弱统一模型。S.L.格拉肖S.温伯格A.萨拉姆提出的 SU(2)×U(1)模型,预言了弱中性流和粲数的存在及其性质,均为以后一系列的实验所证实。由于他们对电弱统一理论的重大贡献,这三位学者获得了1979年度诺贝尔物理学奖。1983年,中间玻色子W±和Z0相继发现,是对电弱统一理论的重要支持。不过黑格斯粒子和黑格斯机制都尚须实验进一步予以检验。

大统一规范理论

  关于强作用,目前已有一种有希望成功的理论,即量子色动力学;它是个不破缺的SU(3)规范理论。因此,从70年代中期起,很自然地在电弱统一规范理论取得成功的基础上,人们又开始了新的探索,其目标是把强作用乃至引力作用通过规范原理和电弱作用相统一。

  所谓大统一理论,就是试图依照电弱统一理论的同样观念和方法(即规范场加自发对称性破缺),来实现强、电磁和弱三种相互作用的统一,不过要将规范群推广为包含子群SU(3)×SU(2)×U(1)的一个更大的单纯群〔如SU(5)、SO(10)或E(7)等〕而已。按照这种理论,各种相互作用的强度是随能量而变化的。当能量增加时,强作用逐渐变弱,而电弱作用则变强。在能量达到大约1024eV时,三种作用强度变成相等而统一为一种规范作用(由该单纯群作为规范群)。大统一规范理论有一个惊人的预言,即质子是不稳定的,它会衰变为别的粒子,其寿命估计为1031±2年。不过,到目前为止,这个预言没有在实验上得到证实。

  此外,还有人尝试把超对称性(玻色子-费密子对称性)引入大统一理论,企图解决大统一理论本身的一些问题(如规范等级问题)。不过超对称性带来的问题似乎比解决的问题更多。更有人讨论超统一(又叫做扩充超引力)理论,试图用超对称性同时把引力和其余三种相互作用在1028eV的能量下实现统一。最近,为了寻找新的途径,人们又重新对卡鲁查的高维空间统一场论发生了兴趣。开始认真地考虑四维之外的其他维度的物理效应。另外还有人尝试把超对称性和高维空间结合起来,等等。所有这些把四种相互作用全统一起来的理论尝试现在都很不成熟,未能给出现实的统一方案。而且在这样的能量下,引力的量子效应已开始变得重要,而到目前为止,还没有令人满意的量子化的引力理论。可见,距离真正实现爱因斯坦的宏大设想还相当远。

  总之,各种不同层次的统一规范场论,包括电弱统一和大统一规范场论,已经而且仍将是理论物理的中心课题之一。建立统一场论的理想将继续鼓舞人们不断深入地顽强探索自然的奥秘。

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