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作者 相互作用力的统一   
Mew2
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文章标题: 相互作用力的统一 (506 reads)      时间: 2003-5-04 周日, 下午10:01
作者：Mew2 在 寒山小径 发贴, 来自 http://www.hjclub.org

物理世界所有力或者相互作用都可以还原成四种相互作用，这四种相互

作用是万有引力、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。万有引力

和电磁力是最早被发现的相互作用，后者只是在十九世纪才被还原为同

一种力。电、磁、光本来被认为是不同的物理现象，电磁相互作用理论

可以被看成历史上第一个成功的基本相互作用的统一理论。



所谓不同相互作用的统一，是指表面上看起来不同的力和相互作用在一

定的情况下相互转变和相互影响，实际上是一个现象的不同表现。电磁

力是一个典型的统一，例如电荷的流动产生磁场，而磁场的变化诱导电

场的产生。这个统一的物理描述就是麦克斯韦理论，该理论同时也解释

了光就是一种电磁波。



弱作用和强作用是相对较晚被发现的力，发现的时代都是十九世纪末。

弱相互作用的具体体现是原子核beta衰变，原来也表现为许多不同的粒子

间的相互转变和作用，后来发现其实是同一种现象。强相互作用理论的

历史更长，表现更为复杂，最典型的表现是将原子核中的中子和质子束

缚在一起的核力。一直到二十世纪七十年代初各种强作用才被总结为一

种相互作用的复杂表现。由于弱作用和强作用都是微观世界的相互作用，

所以主导它们的是量子现象，从而理论也是量子理论。强作用的理论叫

做量子色动力学，是一种特别的量子场论。



弱作用和电磁相互作用在上世纪六十年代末被发现是同一种力的不同表

现。当相互作用的粒子的能量都很高时，它们就成了同一种力，叫做弱

电相互作用。描述这个力的理论也是一种量子场论。当能量高到一百京

电子伏特，也就是一千亿电子福特时，弱作用和电磁作用合并为一种相

互作用。



与强互相作用一样，弱电相互作用的理论不但是一种量子场论，而且是

一种特别的量子场论，叫做规范场论。在这种理论中，规范场的存在是

一个重要标志。规范场是通常电磁场的一种推广，所起的作用也和电磁

场类似。当电荷存在时，电荷和电流引发电磁场，所以电荷和电流又叫

电磁场的源。电荷处于电磁场中，其运动状态收到场的影响。所以，电

荷之间的相互作用由电磁场来传播，电磁场因此叫相互作用的媒介场。

同样，也有类似弱荷以及强荷的存在，它们之间的相互作用由规范场来

做媒介。



在经典理论中，或者经典近似中，电磁场本身没有相互作用，所以可以

看成是自由场。在量子理论中，电磁场的最简单的激发态是光子，和电

子等一样是粒子。光子可以产生虚电子反电子对然后湮灭成光子，所以

在量子理论中光子也不是自由的，是有相互作用的。这个非常精确的理

论叫做量子电动力学。更为复杂的规范场则不同，即使在经典近似中，

也有相互作用，所以我们叫这种规范场为非阿贝尔规范场。



这样，在量子场论中，所谓带荷的场－又叫物质场，其基本激发态是粒

子，同样，规范场的基本激发态也是粒子，如光子。量子场论因此有两

个重要的元素，其一是场，所有的动力学量都是场，其二是所有量子激

发态都是粒子，这是联系理论和实验的一个重要元素，因为实验中观察

的对象是粒子。



弱电理论加上量子色动力学现在叫做标准模型，因为到目前为止所有高

能物理实验都证实了这个模型，精确度越来越高。在标准模型中，物质

场包括电子，mu轻子，tau轻子以及这些轻子对应的中微子，还有六种

不同的夸克。所有这些粒子都参与弱电相互作用，仅仅是夸克参与强相

互作用，每一种夸克带三种色，是强相互作用的荷。除了物质场外，还

有规范场，一共有12种，其中四种是弱电相互作用的传播场，八种是强

相互作用的传播场。最后，还有一种目前还没有直接发现的粒子，叫黑

格斯粒子，在弱电相互作用中起到给每个粒子以质量的作用。



标准模型的量子场论属于一类特殊的量子场论，这类量子场论在高能极

限下没有所谓的不可重正性，简单地说，就是不需要在高能极限下引入

无限多个参数，理论中的可调参数只有有限多个。但是，标准模型还不

是最好的一类量子场论，因为在极高能时存在一种特别的奇点，叫兰道

奇点，所以说标准模型肯定不是最终的理论。



从另外一个角度，我们也可以认为标准模型需要修改，就是，这个模型

中存在太多的可调参数，而且参数所对应的能量标度与后面我们要谈的

普朗克标度相差太大，这样就存在一个所谓能量等级问题，从理论的角

度来看非常不自然。



从上世纪七十年代中期就陆续有人提出统一弱电相互作用和强相互作用

的理论，这类理论叫大统一理论。在这些理论中，只有一种基本相互作

用，理论中的可调参数变少了，而且夸克的分数电荷也得到了解释。不

可避免的是，要引入一个相当高的能量标度，是10的16次方京电子伏特

左右，非常接近普朗克标度，后者是10的19次方电子伏特。大统一理论

预言了质子不稳定性，目前还没有直接实验证据。



最后，我们要谈万有引力了。引力目前的标准理论是爱因斯坦广义相对

论，是一种几何理论，认为引力是时空弯曲的结果。引力理论也是一种

场论，其中传播引力的场叫引力场，激发态是一种无质量的自旋为2的

粒子。引力场的源是质量和能量，所以标准模型中的所有的场都是引力

场的源。当能量越来越高时，引力越来越强，同时量子效应越来越重要。

一般认为，当基本量子的能量达到普朗克标度时，引力的量子效应已经

和经典效应一样大，此时应当考虑量子引力理论。



如果直接将爱因斯坦理论与量子论结合起来，我们获得一种不可重正的

量子场论，在高能极限下要引入无限多个参数。显然，这不是我们希望

得到的理论。将引力与量子论结合起来是超过半个世纪的难题，其间人

们尝试过各种可能的理论，一直没有成功。



另外一条线是尝试统一引力和其它各种相互作用，从爱因斯坦开始就有

了这种尝试，其中影响最大的就是高维理论，认为时空高于四维，高于

四维的空间可以用来解释其它相互作用。从上世纪七十年代末，又出现

了一种崭新的理论，叫做超引力理论。在这些理论中，联系物质场与规

范场的超对称起了中心作用。这些理论在高能极限下比原来的理论要好

些，但还是需要无限多参数。同时，可以将规范作用纳入超引力理论。



真正改变局面的是七十年代初引入的超弦理论。在这个理论中，有超对

称，有高维时空，也有引力和规范理论。所有这些重要的对象都起源于

弦，一种一维的取代粒子的物体。超弦理论到八十年代中期被发现有五

种不同的模型，而且都需要十维时空。到了九十年代中期，这些不同的

模型被发现是一种理论的不同表现，这个真正的统一理论叫做M理论。在

M理论中，还存在不同维度的膜，弦是特殊的膜而已。M理论是一个11维

理论。



超弦理论和M理论不是通常的量子场论，在高能极限下不需要引入无限

多个参数。其实，理论中只有一个参数，就是一个质量标度，所以这是

目前最完美的统一理论。令人不满意的是，这个理论很复杂，我们还不

知道如何从中导出粒子物理的标准模型，其中的关键问题是如何破坏超

对称。



在过去的三十年中，特别是过去十年中，M理论有飞速的发展，我们有

理由相信未来有更重要的发展。另外，不远的将来粒子物理实验和宇宙

学实验将为统一理论带来许多实验事实和数据，特别是，宇宙学对早期

宇宙的观测越来越精确，很快会为统一理论带来直接的实验事实。

作者：Mew2 在 寒山小径 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
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