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5.物理定律能否最终统一？
（Can the Laws of Physics Be Unified？）
（本文来自科学网张林的博客）
1955年4月18日深夜1点15分左右，美国普林斯顿大学医学院内，举世瞩目的德国物理学家、相对论的创始人阿尔伯特·爱因斯坦离开人世，享年76岁。这位在物理学界曾引起思想革命的伟大物理学家，在临终的时候用德语对着只懂英语的助理护士说了最后一句话，而这句话因为无人听懂而转瞬即逝，成为他留给这个世界的最后一个迷？对这句话的猜测曾经有很多版本，而根据爱因斯坦最后一直致力于统一场论研究和他最后将自己最新研究成果付之一炬的事实，一个关于统一场论版本的遗言解读是： "哦，上帝，大概是我错了，物理定律在本质上其实是无法被统一的。"
关于物理定律的统一性在目前还是一个梦想，一个被很多科学家当作必然追求并延续至今的梦想，因为这代表着人类对这个客观世界所有规律的一个思想归宿：统一一定存在，而我们只需要找到它。这正是我们要谈论的问题：物理定律能否被最终统一？
客观世界充满了各种纷繁复杂的物质和现象，然而人类总可以在这些复杂事物的背后发现某种普适的东西，这就是物理规律。不断被发现的一个个简单的物理规律，对于我们人类而言，就是最大限度地消除了这个世界的表观复杂性。比如经常出现的闪电、摩擦丝绸的放电，在地壳中找到的磁石、抬头看见的极光、发生在自然界的各种光学现象，光线在水中的折射和在镜面上的反射等等现象，人类面对这些现象最后总结出四个简单的方程，称之为麦克斯韦方程。人们惊奇地发现所有这些经典的电现象和磁现象竟然都遵从这四个方程所给出的规律（电磁的统一）。麦克斯韦方程组蕴藏着令人惊讶的对称性，无论从数学符号和彼此关系的对应上，还是在某种变换下保持不变性，麦克斯韦方程都显得非常完美。
其实人类很早就想知道这些物质到底由什么构成。古希腊人就提出用原子的概念去解释这些现象，后来人类不断用“撞击粉碎物质”的方法发现了组成物质的非常多的粒子，研究这些不同种类粒子的产生和转变便构成了粒子物理学。现在粒子物理学构建了一个称之谓标准模型的理论框架，虽然从表面看它已经相当完美，无疑是物理学领域内杰出的作品，但它依然是一首没有最后完成的“作品”。
标准模型在很高的精度上可以描述所有构成物质的粒子和这些粒子之间所存在的基本力：强相互作用力，用来解释夸克如何粘在一起形成质子和其它复合粒子（描写强相互作用的理论被称为量子色动力学.QCD）；弱相互作用力，用以解释带电的基本粒子如何改变它们的"味道"（味代表粒子的身份、种类，描写弱相互作用的理论被称为量子味动力学.QFD）；电磁力，用来描述所有带电物体之间的相互作用（描写电磁相互作用的理论被称为量子电动力学.QED）。尽管标准模型能全面地描述所有微观基本粒子和它们之间的作用力，但它依然还缺少描写万有引力。标准模型的这些模块和碎片预示着将出现一个更为伟大的理论，这就好比是人们发现了远古时期残缺不全的莎草纸上莎孚（古希腊女诗人）写下的几行诗句，背后暗示的是一件更加宏大的作品。
标准模型来自简洁的对称性。用数学家的语言来说，标准模型的不同模块展现了SU(3)×SU(2)×U(1)的李代数结构（对称群）。虽然标准模型的每一个模块都能表现出某种对称性，但整体的对称性却必须是破缺的。标准模型内不同力性质上的微弱差别（百分之几的差别）其实就对应于它们具有稍微不同的对称性。
然而这些力的性质不同可能只是一种表象。例如电磁力和弱相互作用力从表面看来截然不同。1960年代，物理学家就发现在高温（高能）的条件下这两种力其实是一致的。电磁力和弱力的这种统一性如同冰和水一样，这种联系让物理学家想到强相互作用是不是也能够在某种条件下和另外两种力统一起来，于是产生了建立在单一对称群上的大统一理论（GUT）。
然而无论如何，统一场理论都必须有与之相对应的可观测的实验结果。例如，强相互作用力如果真的和电弱力相统一，那么质子就一定是不稳定的，即经过一个很长的时间阶段，质子应该自发地发生衰变。但是，经过很多观测和寻找，目前还没有任何一个人看到过质子的衰变过程，而实验给出的质子寿命的下限是1035年。同样，也没有人观测到对称性修正加强后的标准模型（为了弥补标准模型的缺陷扩展了其对称性，例如参数分层问题，规范耦合常数统一性问题和暗物质问题等）所预言的任何粒子，比如超对称理论所预言的那些宇宙中还未被发现的超对称伴粒子（超对称理论预言宇宙中的每一种已知粒子都存在一个未被发现的超对称伴粒子）。更为困苦的是，这样建立的统一场论总是不完备，因为它依然没有包含万有引力。
万有引力是一个非常难以统一的力。描写宏观万有引力的广义相对论，是建立在时空连续和平滑的基础上的，而描写微观原子或亚原子的理论在本质上是不连续的，或者说是量子化的，它用各种量子数来描述。万有引力和量子理论的这种严重冲突使得至今还没有人可以用一个令所有人信服的理论将四种基本力统一在一个框架下。不过尽管如此，许多物理学家还是做了进一步的尝试，其中一个最有希望的理论就是超弦理论。
超弦理论有非常多的追随者，因为这个理论可以用一个单一的对称群（例如超弦理论的一个分支采用SO(32)对称群）把所有的力都统一在一个框架下。但是，这个理论要求我们生活的宇宙是10维或11维的，还需要引入很多未被发现的粒子以及预言了一些看起来从来都不可能被验证的理论结果。现在我们所面临的情况是有几十种大统一理论，如果其中一个理论可能是正确的话，科学家也没有任何办法去确定是哪一个。或者反过来说，科学家努力追求的统一场理论会不会就是一个傻子的美好愿望！
物理学家们依然在不断寻找质子衰变的证据，在地下深洞内和在瑞士日内瓦欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上继续寻找超对称粒子的踪迹。科学家们相信在LHC上一定能发现Higgs玻色子的存在（注：Higgs粒子已经确认被发现。它是标准模型拼图中最后一块碎片，曾被称为上帝粒子）。Higgs玻色子的引入缘于弱电统一场中传递弱力的中间玻色子的质量问题。根据规范场理论，3类中间玻色子应该和光子类似是没有质量的粒子，但实验观测却是有质量的，所以其质量从何而来成了一个问题，它催生了规范对称性的自发破缺理论——Higgs机制。其意思是说质量来源于与Higgs场的相互作用，而这个场所对应的粒子就是Higgs玻色子。2012年7月4日，欧洲核子中心CREN宣布他们在LHC 上发现了质量在125～127 Gev/c2的新粒子，随后不同小组对实验数据的分析和其他小组的其它证据都确认在这个质量窗口的新粒子的发现。他们在对这个新粒子的参数进行确认之后，发现该粒子和标准模型所预言的Higgs粒子的参数是一致的，所以被认为是发现了Higgs粒子。不管怎样，科学家们坚信，总有一天能够完成标准模型的构建，实现统一这个世界的所有物理规律的宏伟目标。不过我们还得把话说回来，至于大统一的梦想最终是否实现或是否真实，我们目前尚不得而知。
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