万物理论。Adam Shaw
这是一个美好的想法——这个宇宙中我们所见所感的一切，都是同一种基本作用力的不同表现。这一想法的来源，是基于物理学发展过程中一个显而易见的趋势——所有原子，都是由相同的质子、中子和电子组成的；宇宙间所有现象的背后，都只有四种基本作用力——引力、电磁力、强互作用力和弱互作用力；单一方程，能够完美地解释这四种基本作用力中的三种，甚至能够把其中两种——电磁力和弱互作用力——统一成一种单一的力——电弱力。因此人们很容易就产生联想——是否存在着一种单一的力，能够统一所有基本作用力？各种基本作用力，只不过是这种力的不同表现形式？
这种致力于统一的思路，在一定程度上源自爱因斯坦等人。麦克斯韦成功地把电力和磁力统一成了单一的电磁力，人们希望有一种更为基本的概念。在那个人们只知道有两种基本作用力的年代，把广义相对论（引力）和麦克斯韦方程（电磁力）统一在一起，统一在一个经典的框架中，是当时所有伟大理论学家的奋斗目标。曾几何时，人们似乎已经接近了大自然的基本层面，宇宙在被逐渐简化。但是后来，从1920年代到1950年代的一系列发现，打碎了这一梦想。
这其中包括新的亚原子粒子，μ介子、中微子和一系列介子的发现；包括人们通过量子力学，通过辐射和核聚变、核裂变认识的两种新的基本作用力——弱互作用力和强互作用力；包括人们发现即便是质子和中子，也有更为基本的结构——夸克和胶子。
到了1960年代末，人们终于发现，受到四种基本作用力支配的基本粒子为数众多，最重要的是，它们彼此之间各不相同。
在高能状态下，弱互作用力和电磁力非常明显地呈现为同一种基本作用力的不同表现形式。那么在更高能量状态下，其它作用力是否也能够被统一在一起？考察这一可能性的首位候选者当属强互作用力，因为它和电磁力、弱互作用力同属标准模型范畴。表面上，有一些证据，似乎能够证明这样的观点。
首先是质子（受强互作用力支配）和电子（受电磁力支配）所带的电荷能够互相抵消，这似乎意味着某种对称性的存在。其次是强互作用力、弱互作用力和电磁力的耦合常数（决定了相互作用的强度）。这是一种可变的函数，能够随着能量的变化而变化。因此假如给予更高的能量，它们很有可能会在一个单一的高能量点发生交汇。最后是其它领域的一些问题所引发的思考，比如中微子为什么会有微小却非零的质量？为什么宇宙中的物质和反物质含量不对称？等等。
这是一种不可思议的想法。实际上，在弦理论跳出来之前，大一统和大一统理论风靡一时。但是这里面也存在着一些大问题。比如，这种理论预测会存在一些新的粒子，但这种粒子是我们无法检验的——它们所携带的能量，要超出大型强子对撞机能够产生的能量的万亿倍以上。比如，几乎所有大一统理论都预言粒子能够产生所谓的“味改变中性流”，这在标准模型中，是一种不可能出现的衰变类型，而且我们也从未在自然界观察到过。再比如，所有大一统理论都预言质子会以大约10^30年为周期发生衰变。宇宙诞生至今还不到140亿年，这个问题好像是不足为虑。但是如果我们把10^30个质子聚在一起，那么在这些质子中，每一年就会有一个发生衰变。因为衰变是一个概率性事件。
注满了水的“神冈核子衰变实验装置”。神冈观测站 / 宇宙射线研究所 / 东京大学
神冈核子衰变实验装置和它的继承者们能够对这样的衰变进行检测，我们为它们注入水（每个水分子中的氢原子包括两个质子），然后等待。实验结果表明，假如质子会衰变，那么这个周期至少是10^35年。这意味着，所有大一统理论——包括最简化的版本——都已被排除。
对于大一统理论而言，情况其实是越来越糟的。三种基本作用力的“交汇”点，似乎只存在于对数尺度上；微小而非零的中微子质量，能够用其它机制来解释；物质和反物质的不对称性，可能是因为当初产生了过多的磁单极子——尽管我们还没有观测到这种粒子。
不能说大一统理论已经失败，它可能是我们通往“万物理论”——这一理论物理学家终极梦想过程中的重要一步。但是更有可能的是，自然界并不能在高能状态下达到统一，是我们的偏见，是我们对简洁、优雅、统一的过度追求，让我们偏离了现实宇宙，把我们带往了错误的方向。
不仅仅是科学，在所有领域，我们都不能被先入为主的想法误导，我们应该认真地看一看宇宙的真实模样，听一听它亲自给我们讲述的故事。
Ethan Siegel 文 / 老孙 译
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