大统一理论真的可行吗 (大统一理论知乎)

admin 2024-12-06 42 0

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大统一理论真的可行吗?

大一统理论,有可能明天就被发现,也可能永远不会出现。

大统一理论真的可行吗 (大统一理论知乎)

我们先来看看大一统理论的基础是什么。

大一统理论,事实上就是将宇宙中的四大基本力完全统一的理论。

宇宙中的所有力,都可以分为——万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。

现代物理学的两大支柱,相对论和量子力学,我们需要注意以下细节:

爱因斯坦提出相对论的时候,强、弱相互作用力还没有正式发现。

电磁力、强、弱相互作用力,都以微观粒子为主。

爱因斯坦晚年寻找大一统理论,目标就是统一引力和电磁力,虽然爱因斯坦没有成功,就算成功了,也缺少了强、弱相互作用力的统一。

这就引出一个疑问:人类真的找到了所有基本力?宇宙真的只存在四种基本力?

假设宇宙确实只有四种基本力,大一统理论真的存在吗

目前研究大一统理论的关键,就是探索万物的本质——归根溯源。

从这一方面看,量子力学似乎前景无限,并且量子力学的量子力场,完成了电磁力、强、弱相互作用力的统一。

可惜引力量子力学无法统一,甚至无法利用量子力学解释引力。

而相对论可以轻松利用空间解释引力,可惜没有完成电磁力的统一。

爱因斯坦曾尝试用空间解释一切,也就是万物都是空间构成。

我们看到的天体,都只是空间的扭曲所形成的假想,但没有完成。

为了追寻大一统理论,弦理论从量子力学中诞生,成为物理分支。

弦理论,利用“能量”解释一切,“能量弦线”才是构成万物的本质,而并非微观粒子,“能量弦线”的震动、旋转方式的不同,构成了各种粒子、光子、夸克,进而形成了宇宙万物。

然而弦理论没有实质性的实验证实,很多物理学家并不认可,弦理论的基础,是“十维空间”,大大超出了人类的认知。

大统一理论

在物理学的无尽探索中,大统一理论犹如一座闪耀的灯塔,照亮了理论物理学家追求的终极目标——揭示宇宙万象的统一法则。

这个梦想始于对牛顿万有引力和麦克斯韦电磁力的整合,而现代理论如量子电动力学和广义相对论,已经将这些基础现象编织成了一幅多元而有序的画卷。

大统一理论的核心,是寻找一个万有理论,它将物质的构成和四种基本力——电磁力、弱力、强力和引力——统一于一个精妙的框架之中。

这些力并非孤立存在,而是通过信使粒子,如引力子和光子,以无比精妙的方式相互作用,驱动着宇宙的演化。

然而,这个宏伟的梦想并未轻易实现,强弱力的统一虽然取得了一些进展,但强力和引力的融合仍然是未解之谜,这便是现代理论面临的重大挑战。

爱因斯坦曾尝试大统一理论,但他的努力未能避开历史的局限,未能按照正确的顺序——先弱后强再引力——推进。

如今,科学家们重新审视这一目标,他们正在量子引力理论和大统一理论的分支研究中,寻找那个能统一所有力的关键线索。

普朗克温度下的理论预测,揭示了在极端条件下,基本粒子可能融合,象征着力的终极统一。

从大爆炸的那一刻起,所有的力和物质都源自同一源头,而随着宇宙的冷却,这些力逐渐分化,强力、弱力和电磁力的分离在时间的长河中留下了独特的印记。

目前,我们的实验只能捕捉到弱力和电磁力的统一,如电弱理论,而引力的统一,尤其是量子引力理论,仍然是理论家们探索的未知领域。

强力和弱力的发现晚于电磁力,它们的作用范围迥异:电磁力如光子般无所不在,而强力则被夸克禁闭在原子核内,宏观世界主要感受到引力和电磁力的影响。

尽管如此,这些力量的差异性并未阻碍科学家们对大统一理论的追求,他们相信,只有将所有的力量编织成一个和谐的整体,才能真正揭示宇宙的深层奥秘。

在量子力学的舞台上,大统一理论的挑战与机遇并存。

过去的理论,尤其是早期的尝试,或许忽视了强力和弱力的重要性,但今日的理论家们正在用新的视角,重新解读和整合这些力量,向着大统一的最终目标迈进。

量子引力理论究竟能不能成为大统一理论呢?为什么?

量子理论和相对论的统一可以追溯到上世纪30年代。

当时,物理学家正试图将狭义相对论量化。

大约半个世纪后,物理学家建立了非常成熟的相对论量子场理论,如量子电动力学、电弱统一性、量子色动力学。

然而,在广义相对论中,我们发现广义相对论的量子化导致了一套不可还原的理论。

因此,对量子引力的研究。

很长时间以来,物理学家们认为非正则化是广义相对论中最重要的问题,解决了它就能解决一切。

为什么这么说呢?因为物理学家早就发现,薛定谔场是不可重正化的,我们不能用薛定谔理论来解决高能粒子的散射问题。

后来物理学家获得了相对论的量子力学,其中标量场和自旋体场都可以处理高能粒子的散射,而且它们是可重正的。

因此,物理学家认为,一个不可重正化的理论应该对应于一个在高能量下可重正化的理论。

这个广义相对论的高能理论究竟是什么,一直到20世纪80年代都让物理学家感到困惑。

大约在20世纪80年代,超对称性被引入广义相对论,被称为超引力。

然而,这一理论结合了广义相对论的弱场近似和超对称性。

即便如此,超引力还是取得了很多成功,比如解决了广义相对论的不可还原问题,比如给出了引力子的散射。

不久之后,人们发现了超引力的高能理论,称为超弦理论。

超弦理论也是可重正的,并为引力的高能行为提供了数学上的完美解释。

注意 数学上 这个词,而不是 物理上。

仿佛量子引力已经安定下来。

问题解决了。

以上是根据场论的发展对相对论和量子论进行的统一。

整个过程实际上承认广义相对论可以被量化。

但这里有一个案例,广义相对论和量子理论碰撞到了不可调和的地步。

这就是黑洞。

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