大统一理论 grand unified theory

从狭义上讲，是指用一个有潜在单一的耦合常数的规范场论去统一描述强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的规范理论。从广义上讲，可称为统一场论，是一种企图用单一理论框架来描述所有基本力（包括万有引力）和基本粒子间关系的理论。

这是人类企图理解物质世界的一个理想目标。大统一理论吸引了数代大批杰出物理学家，如爱因斯坦和W.K.海森伯，但最终的理想目标尚远未达到。

1.粒子理标准模型

今天认识到的物理世界很好地被强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用的标准模型SU(3)×SU(2)×U(1)所描与和解释。标准模型自20世纪70年代建立以来，经受了不断提高的实验精度、不断增加的数据量和数据类型的大量实验的严格检验，获得极大成动。但弱电统一理论预言的黑格斯粒子还有待发现。

粒子物理标准模型是迄今认识物理世界所取得的重大成就和可靠理论基础。但标准模型尚有不足之处，特别是三种相互作用的强度的不同。但随着能量的升高，由于非阿贝尔规范场论的渐近自由特性，三种相互作用的强度会以收敛的方式演化，可能在一个很高的能标下趋于一致，以至可用一个更大的规范对称性去统一描写原来不同的3种相互作用。

2.SU(5)模型

对统一规范理论曾先后提出过许多方案，但最小且典型的方案是SU(5)大统一模型。比较突出的模型还有SO(10)和。

一般说来，规范群越大，自由参数将大量增加，理论在一定意义下将失去预言性。但是SO(10)和这些模型可能与弦理论有更为密切的关系，因此有可能避免上述困难。

在最小SU(5)大统一模型中，SU(5)规范粒子除原有的胶子、粒子、粒子和光子外，还有新增添的取名为X和Y的大统一规范粒子。

通过大统一黑格斯自发破缺机制，X粒子和Y粒子可获得超重质量、它们能使夸克和轻子互相转化，引起质子衰变。但现今尚未肯定观测到质子的衰变，说明质子有极长的衰变寿命。为了不使理论与观测矛盾，要求统一能标要在电子伏以上。

遗憾的是，基于标准模型简单外推的SU(5)普通大统一模型得到的能标低于此数，并且三个耦合常数还不能真正达到统一。

3.超对称模型

有许多理由相信，在玻色子与费米子之间自然界可能存在一个潜在对称性，叫作超对称。如果对标准模型作超对称推广，并在此基础上建立超对称大统一模型，大统一能标将达到电子伏左右，远高于弱电统一能标电子伏，三个耦合常数也达到了真正的统一。

这个统一是建立在耦合常数的精确测量取得长足进展的基础之上，一部分科学家很看重这一统一，认为这是超对称可能存在的突出迹象。但也有人认为这只是个巧合，争论的解决只有等待能否从实验上发现超对称粒子。

超对称大统一预言了一大批新粒子等待人们去发现，特别是其中最稳定的中性微子是宇宙暗物质的最好候选者，它的质量很大且不参与强相互作用和电磁相互作用。

现已认识到，大统一对称有一次破缺，弱电对称又有一次破缺，两个破缺能标相差悬殊，要求理论参数做不可置信的精细调节，这叫规范等级问题。

超对称的优点在于克服了普通大统一固有的规范等级问题，使它不受量子修正的干扰而稳定下来，甚至出现一个与顶夸克大质量匹配的辐射对称破缺机制，可自然地解释弱电破缺。

两个等级的存在可能说明已被实验观到的中微子质量和中微子振荡。有可能在宇宙早期，宇宙处于高热状态，那时的弱、电、强三种相互作用确实以统一和毫无差别的方式展现自己。而今天的弱、电、强三种不同的自然力其实是同一种统一力分道扬镳的宇宙演化的结果。

4.问题与发展

大统一理论为解释为什么电磁作用较弱、强作用很强这一自然格局奠定了一个很好的理论框架。但大统一理论仍有许多不足之处，如夸克和轻子为什么重复“三代”的疑难，理论的自由参数仍然不少，没有把第四种相互作用即万有引力统一进去。

人们相信物质世界是统一的，不断追求着一个能真正完美统一四种相互作用的统一场论。一些思想处于前沿探索的科学家们认为弦论与M理论可能会为四种相互作用的真正统一带来新的曙光。

弦论把一切基本粒子和其相互作用粒子都看作是一维延展体，即“弦”的不同状态，特别是它自动容纳了引力的存在。但弦论与M理论要求时空是11维的，要求而不是自动得出其中有7维是高度卷曲即“紧致”的，而且弦理论对于宏观时空的四维性亦未给出满意解释。

弦论的优点在于其高度对称，但遇到的困难也由此而来，现实世界不那么对称。描写现实世界现今已有两大成功模型，即弱电强相互作用粒子物理标准模型和暗能量加冷暗物质的宇宙大爆炸协调模型。弦论难以具体地得到它们。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第4册，中国大百科全书出版社，2009年