三、四种相互作用的统一理论

长期以来，人们有一种朴素的愿望，世界是统一的，各种基本相互作用应该有统一的起源。许多著名物理学家，例如爱因斯坦、海森堡、泡里

（Pauli）等，在晚年致力于统一理论的研究，但是没有取得成功。规范理论提供了各种相互作用统一理论的诱人的基础。

1964 年黑格斯（Higgs，P．W．）提出一种克服规范场粒子零静止质量困难的方法。他引入一种标量粒子，后来称为黑格斯粒子，通过这种粒子的真空自发破缺，可以使与被破缺的规范对称性相对应的规范场获得静止质量。1961 年格拉肖曾在 CVC 和 PCAC 理论基础上提出过一种基于 SU（2）

×U（1）规范作用的弱电统一模型，这模型的零质量规范粒子的困难依然存在。1967 年温伯格和萨拉姆在格拉肖原始模型的基础上，利用黑格斯机制，发展和完备了 SU（2）×U（1）弱电统一规范理论。弱电统一理论取得巨大成功，它的预言与实验符合得很好，特别是它所预言的新的规范矢量粒子于 80 年代初期在西欧联合核子研究中心（CERN）的实验中观测到了，它们的质量与主要性质都和理论的预言符合得相当好。

麦克斯韦方程统一了电和磁两种相互作用，这种电磁作用理论是一种阿贝尔的规范理论。现在，温伯格—萨拉姆模型又在非阿贝尔规范理论基础上把弱作用和电磁作用统一了起来。这模型的成功加深了人类对弱作用和电磁作用本质的认识，也推动人们在规范理论基础上把各种相互作用统一起来的努力。

弱电统一理论当然也不是十全十美的理论，它的最大困难在于黑格斯

场至今没有发现，这理论引进的一些参数还没有得到充分的理论解释，甚至这理论尚未解释弱作用所有主要性质。例如与奇异粒子弱作用过程有关的卡皮波（Cabibbo）角，在弱电统一理论中是作为外来因素放进去的，理论无法提供任何解释。

量子色动力学沿着另一条途径来解决规范粒子零质量问题。早在 50 年代末，日本的坂田昌一（Sakata）领导的小组提出强子存在着 SU（3）对称性。60 年代初，对称性理论吸引了粒子物理界浓厚的兴趣。1964 年盖尔曼（Gell-Mann，M.）提出强子由夸克（quark）构成的设想。1966 年北京粒子物理理论组提出强子的层子模型，并对强子结构进行了具体的定量计算。“文化大革命”期间，中国的科学研究停顿下来了，但国际上恰正处于十分活跃的时期。一系列实验证实了强子的夸克结构，并在此基础上建立起描写强相互作用的量子色动力学（Quantum Chromo-dynamics）。按照这一理论，夸克带有两种量子数，分别称为味道和颜色。当然，它们与通常的味道和颜色概念毫无共同之处。根据目前的实验，共有五种不同味道的夸克，很可能会有第六种味道，每种味道的夸克有三种不同的颜色。各种颜色夸克之间存在强相互作用，这是一种 SU（3）规范作用，传递规范作用的规范粒子称为胶子（gluon）规范理论严格地规定了强相互作用的耦合形式。这种非阿贝尔规范作用有十分奇特的性质：耦合强度随能量增高而减弱，高能粒子间的作用变得很弱，可用微扰论来计算，称为渐近自由现象，这也在实验中观测到；相反，随能量降低，耦合强度不断增强，以致要把带颜色的夸克分割开需要无穷大的能量，称为颜色禁闭现象。由于颜色禁闭，在目前能量的实验中只能观测到没有颜色的状态，即颜色中性状态。因为夸克带有颜色，作为规范粒子的胶子也带有颜色，所以目前实验无法直接观测到单独的夸克和胶子，这就解释了目前实验没有发现这类零质量规范粒子的原因。

量子色动力学解释了强相互作用的一些实验现象，但也还存在许多困难。例如在低能情况耦合系数较强时，如何按照这理论作外微扰计算问题，又如颜色禁闭性如何从理论上作严格论证问题。

既然弱作用和电磁作用在非阿贝尔规范理论基础上统一起来了，而且强相互作用也是一种非阿贝尔规范作用，一个诱人的想法是它们能否在一个更大的非阿贝尔规范理论下统一起来，这就是所谓大统一理论的基本想法。最简单的大统一理论是 1974 年乔奇和格拉肖提出的Georgi-GlashowSU

（5）大统一模型。

大统一理论把夸克和轻子看成一种粒子的不同状态，用数学的话来说，大统一理论把夸克和轻子填在同一线性表示里，通过 SU（5）规范作用把它们联系起来。强相互作用，弱相互作用和电磁相互作用在非常高的能量（百万亿倍质子的静止能量级，质子静止能量约为 10 亿电子伏特。）下统一成一种 SU（5）规范相互作用。随着能量下降，通过黑格斯场的第一次破缺，描写强相互作用的 SU（3）对称性和描写弱电相互作用的 SU（2）

×U（1）对称性分开来了。能量继续下降，在 100 倍质子静止能量量级，黑格斯场发生第二次破缺，电磁作用和弱作用又分开了，形成目前实验观测到的三种相互作用。在大统一理论中，夸克和轻子可以通过 SU（5）规范场相互转化，原则上层子不再是稳定的，它可能衰变成介子和轻子。尽管黑格斯场第一次破缺的能量标度非常大，质子衰变的寿命非常长，但是

质子不稳定造成原子核不稳定，由原子分子构造起来的物质都将是不稳定的。大统一理论引起了观念上的突破。作为规范理论的大统一理论，它对质子衰变的寿命有相当明确的预言。80 年代初，人们密切注视着实验的发展，但是实验没有观测到大统一理论所预言的质子衰变现象。当然这实验比较难做，有很强的背景干扰，目前还有人在不断地改进设备和方法，努力寻找质子衰变的事例，现在只能说目前实验不太支持 SU（5）大统一模型。

大统一理论还有两个重要缺点。一个称为能量阶层问题。大统一理论中引入两次黑格斯自发破缺，破缺发生的能量标度相差 12 个量级，在两次破缺之间这么大的能量范围内，大统一理论认为不会有重大物理现象发生，称为“物质沙漠”，这是难以令人置信的。另一个称为代的问题。SU

大统一模型只容纳一部分夸克和轻子，而把其他夸克和轻子重复地构成相同的 SU（5）模型，称为代。目前实验发现有三代粒子。为什么会形成代的结构？一共会有几代粒子？大统一模型都没有提供解释。此外，大统一模型中的黑格斯场相当任意，与它相关引入了许多可以调节的参数，大大减少了大统一模型的预言能力。

为了克服大统一模型的缺点，70 年代后期又提出了超对称（super- symmetry）理论。按照这一理论，费米子和玻色子都填入同一线性表示中，通过规范作用可以互相转化。为了达到这一目的，理论不得不在已知的微观粒子基础上引入大量配偶粒子。超对称理论形式十分美妙，可惜这些配偶粒子至今都没有找到。

大统一的能量标度离完全由普适常数构成的普朗克能量只相差几个量级，进入超对称理论后，能量标度更加接近，因此，再把引力作用排除在外已不太合理。为了把引力也统一进来，把引力作用也理解为一种规范作用，建立了超引力（super-gravity）理论。

近三年来，一种新的统一理论正在兴起，称为超弦（super-string）理论。这理论认为微观粒子不是一个点，而是一条弦，并在弦的基础上形成一套量子化方法。这理论宣称这是第一次得到的可重整化引力理论，这理论只有几个基本参数，其他参数原则上都可以在理论中计算得到，只是由于数学上的困难，暂时还算不出来。人们期望这一理论可以统一四种基本相互作用，当然，目前困难还很大，对这理论持批评意见的人也很多。用规范理论统一四种基本相互作用是一种诱人的因素，但是在前进道

路上还会有许多困难，也有可能会遭到失败。也许人们还会寻找新的途径去统一各种基本的相互作用。通过一系列探

索、失败、成功，再失败，再成功，不断发现矛盾，解决矛盾，每一次循环都在加深着人类对自然界的认识。

（马中骐）