§18 相互作用的统一理论

微观粒子之间存在着四种相互作用，这四种相互作用之间存在什么联系，它们是否可以从更深刻的角度统一起来，一直是粒子物理学家关心的问题。爱因斯坦在建立广义相对论后，花了很长的时间致力于统一场论的研究， 他希望能建立一个把电磁相互作用和引力相互作用统一起来的理论。然而， 他的这个研究并没有能取得成功，归根结底，是因为物理学的发展在当时条件下还不成熟。当时人们对电磁相互作用和引力相互作用的宏观规律已经认识得相当清楚，但是对于弱相互作用和强相互作用这两种只在微观范围内才明显显现出来的短程相互作用的规律还认识得很少。因此，在当时的条件下， 爱因斯坦只能在电磁相互作用和引力相互作用的基础上探索相互作用的统一理论。粒子物理学 30 多年来的发展表明，首先成功地统一起来的是弱相互作用和电磁相互作用。

尽管弱相互作用和电磁相互作用的行为有巨大的差异，物理学家们对它们的相互作用机理进行深入的探索，找到了它们之间的联系，这推动着物理学家去探索建立弱相互作用与电磁相互作用统一理论的可能性。1961 年，美国物理学家格拉肖（Sheldon Lee Glashow）首先提出电弱统一的模型。1967 年和 1968 年美国物理学家温伯格（StevenWeinberg）和巴基斯坦物理学家萨拉姆（Abdus Salam）在这理论基础上独立地把这个模型发展完善。格拉肖、温伯格和萨拉姆提出的电弱统一理论认为：弱相互作用和电磁相互作用本来属于具有同一种对称性的统一的相互作用，这种相互作用通过传递四种体现这种对称性的粒子来实现。在能量较低的范围，这种对称性自发地破缺了， 统一的电弱相互作用分解成为现在所观察到的电磁相互作用和弱相互作用。后来，经过多年的研究证明，电弱统一理论取得了极大的成功。

电弱统一理论的成功促进了大统一理论的探索研究。大统一理论是指把强相互作用和电、弱相互作用统一起来的理论。70 年代以来国际上提出了许多种大统一理论，各有不同的特点。但是迄今为止，并没有任何一个大统一理论得到了实验的判定性的检验。

近十多年来粒子物理理论的另一个重要的探索方向是关于超对称理论的研究。超对称性是一种把自旋为半整数的粒子（费米子）与自旋为整数的粒子（玻色子）联系起来的对称性。超对称理论的一个探索方向是建立超对称大统一理论，即在超对称性基础上的大统一理论。超对称理论的另一个探索方向是建立超引力理论即在超对称性基础上把四种相互作用都统一起来的理论。近年来，在超对称大统一理论方面，亚夸克层次的大统一模型方面，超引力理论方面以及关于超对称理论基础的研究方面都进行了不少工作，但是总起来说还处于探索研究阶段，还没有一种模型得到判定性的检验。由于在大统一理论范围内，各种可能的模型都已被试探研究过，可以作的理论探索都已比较充分地进行过，因此，理论探索的注意力已从大统一理论转移到超对称理论方面来。这个转移过程从 1980 年就已明显地表现出来，到 1982 年这个转移过程就已经比较完全了，这是近年来理论发展的一个重要动向。

70 年代末到 80 年代初，粒子物理理论的研究中曾有许多探索夸克和轻子的内部结构的工作，提出了许多可能的“亚夸克”模型，并有许多理论物理学家对这类模型在实验上和理论上所受的限制进行了普遍的讨论。这是一个十分吸引人的方向，曾一度表现得相当活跃，特别是在探索亚夸克层次建

立大统一模型方面。但是，进一步的发展遇到了困难，困难的来源之一是， 迄今为止没有任何实验迹象显示出夸克有内部结构，从实验上还没有能得到任何有关夸克内部结构的信息可以作为建立理论的启示和线索，这一点和 60 年代研究强子结构时所遇到的情况完全不同。