1925年,，一種新的理論出現(xiàn)了,，推翻了自古希臘時(shí)代以來(lái)就一直持有的物質(zhì)觀念。這種新的理論被稱為量子力學(xué),。對(duì)于物理學(xué)家一度是禁區(qū)的亞原子世界,，現(xiàn)在被它揭露了出來(lái)。

20世紀(jì)20年代初,，一些科學(xué)家仍對(duì)“原子”的存在持保留意見(jiàn),。他們認(rèn)為那些不能在實(shí)驗(yàn)室里直接測(cè)量或觀測(cè)的東西就是不存在的。1925年和1926年,，薛定諤,、海森伯以及另一些人，已經(jīng)提出氫原子的近乎完整的數(shù)學(xué)描述,。他們從純數(shù)學(xué)的角度，以無(wú)懈可擊的精度來(lái)解釋氫原子的所有性質(zhì),。1930年,，狄拉克提出化學(xué)中的一切東西都能從第一性原理導(dǎo)出。

愛(ài)因斯坦的夢(mèng)想是建造一個(gè)完全由大理石構(gòu)造的宇宙（純幾何學(xué)的宇宙）,。愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的左邊是時(shí)空曲率,，他把它比作"大理石"，因?yàn)樗幸环N美麗的幾何結(jié)構(gòu),。然而,，方程右邊是“物質(zhì)”,，他把它比作“木頭”。愛(ài)因斯坦的目標(biāo)是把木頭轉(zhuǎn)化成大理石,，即給物質(zhì)一種完全是幾何學(xué)的定義,。使愛(ài)因斯坦震驚的是，他意識(shí)到量子宇宙是一種完全由“木頭”做成的宇宙,。

量子理論使愛(ài)因斯坦大傷腦筋,。幾乎在任何意義上，量子理論都是愛(ài)因斯坦理論的對(duì)立面,。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是一種宇宙的理論,，是一種借助于空間和時(shí)間把恒星和星系結(jié)合在一起的理論。而量子理論是一種微宇宙理論,，在這個(gè)微宇宙中亞原子粒子被類似于粒子的力結(jié)合在一起,，這些力則在空洞無(wú)物的時(shí)空舞臺(tái)上起舞。因此,，這樣兩種理論是對(duì)立的,。事實(shí)上，長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)之久,，由量子革命所引起的浪潮淹沒(méi)了對(duì)力作幾何理解的一切嘗試,。

到80年代中期，量子思想一直主宰著物理學(xué)界,，它幾乎把黎曼和愛(ài)因斯坦的幾何思想埋葬在大量無(wú)可辯駁的成功和極佳的實(shí)驗(yàn)勝利之下,。

量子理論描述了看不見(jiàn)的微觀宇宙∶物質(zhì)由原子和它的組成部分構(gòu)成。大約有100種不同類型的原子,。原子則包含有繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子,，原子核又由質(zhì)子和中子組成。愛(ài)因斯坦的幾何理論與量子理論的主要差別,，現(xiàn)在可以歸納如下,。

1.力由交換一份份能量（被稱為量子）而產(chǎn)生。

與愛(ài)因斯坦的“力=幾何”相反,，在量子理論中,，光被分成微小的份額。這些光包叫做光子,，它們的行為更像點(diǎn)狀粒子,。當(dāng)兩個(gè)電子相互碰撞時(shí)，它們之間相互排斥,，這并不是因?yàn)榭臻g曲率,，而是由于它們交換一個(gè)能量包，即交換了一個(gè)光子。

2.不同的力由交換不同的量子所引起,。

例如,，弱核力由交換W玻色子產(chǎn)生。強(qiáng)核力由交換膠子產(chǎn)生,。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了這種處理的基本正確性,。因此，四種力中的三種（不包括引力）通過(guò)量子理論而統(tǒng)一起來(lái),。這里沒(méi)有用到幾何學(xué)就給出了統(tǒng)一,。

3.不能同時(shí)知道亞原子粒子的速度和位置。

這就是海森伯不確定性原理,，它是最具爭(zhēng)議的理論觀點(diǎn),，但是它經(jīng)受住了半個(gè)世紀(jì)來(lái)各種實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)。雖然電子是一個(gè)點(diǎn)粒子,，卻伴隨著一個(gè)遵守某種具有明確意義的方程的波,。這個(gè)方程就是薛定諤波動(dòng)方程。這樣,，量子理論就把波和粒子的概念合并為一個(gè)辯證統(tǒng)一體∶自然界中基本的物質(zhì)客體是粒子,，但是在空間和時(shí)間中任意給定的地方發(fā)現(xiàn)一個(gè)粒子的概率則由概率波給出。量子理論的瘋狂之處在于,，它把一切都?xì)w結(jié)為令人迷惑的概率,。

如果量子理論違背了我們的常識(shí)，那只是因?yàn)樽匀凰坪醪惶诤跷覀兊某ＷR(shí),。這些思想雖然看來(lái)似乎極其奇特而令人不安,，它們卻很容易在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證。這可以用著名的雙縫實(shí)驗(yàn)來(lái)闡明,。

4.粒子有可能“穿透”或作一次量子躍遷而越過(guò)不可貫穿的勢(shì)壘,。

這是量子理論更令人震驚的預(yù)言之一。在原子水平上,，這一預(yù)言極為成功,。"隧穿"勢(shì)壘量子躍遷已經(jīng)經(jīng)受了每一種實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)。事實(shí)上,，世界如果不存在隧穿現(xiàn)在反倒不可想象了,。

驗(yàn)證隧穿之正確性的一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，是從在盒子里放一個(gè)電子開(kāi)始,。通常,，電子沒(méi)有足夠的能量穿透盒壁。如果經(jīng)典物理學(xué)是正確的,，那么電子永遠(yuǎn)不會(huì)離開(kāi)盒子。然而根據(jù)量子理論，電子的概率波將擴(kuò)展到整個(gè)盒子中,，并且滲往外部世界,。在實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)人們測(cè)量隧穿這些勢(shì)壘的概率時(shí),，所得之結(jié)果與量子理論完全相符,。

如果量子力學(xué)不正確，那么所有的電子儀器,，包括電視機(jī),、計(jì)算機(jī)、收音機(jī),、立體聲系統(tǒng)等等都將失去作用,。

事實(shí)上，如果量子理論不正確,，我們身體中的原子將崩潰,，我們將立刻瓦解。根據(jù)麥克斯韋方程,，在原子中自旋的電子將在一微秒之內(nèi)喪失它們的能量并栽入原子核內(nèi),。這種突然的坍塌被量子理論所阻止。這樣,，我們存在著這一事實(shí)乃是量子力學(xué)正確性的活生生的證明,。

楊-米爾斯場(chǎng)，麥克斯韋場(chǎng)的接班人

量子物理到60年代已經(jīng)開(kāi)始衰退,。愛(ài)因斯坦僅憑物理直覺(jué)揣摩廣義相對(duì)論的整體框架,，60 年代的粒子物理學(xué)家們則沉溺于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之中，對(duì)撞機(jī)在核廢料中發(fā)現(xiàn)了好幾百種神秘的粒子,。粒子物理學(xué)家們提出無(wú)數(shù)的方案來(lái)解釋它們,。所有的方案都不走運(yùn)。不正確的方案實(shí)在是太多了,，有時(shí)人們說(shuō)亞原子物理理論的“半衰期”只有2年,。

基于與光子（即光的量子）的類比，物理學(xué)家們認(rèn)為弱力和強(qiáng)力由交換某種能量量子而產(chǎn)生,，它們被稱作為楊-米爾斯場(chǎng),。楊振寧和他的學(xué)生米爾斯于1954年發(fā)現(xiàn)的楊-米爾斯場(chǎng)，是麥克斯韋場(chǎng)的推廣,。所不同的是楊-米爾斯場(chǎng)有更多的分量,，并且可以擁有電荷（光子則不帶電荷）。對(duì)于弱相互作用,，相應(yīng)于楊-米爾斯場(chǎng)的量子是W玻色子,，這種粒子所帶的電荷為1，0和-1。對(duì)于強(qiáng)相互作用,，相應(yīng)于楊-米爾斯場(chǎng)的量子被稱為膠子,，它把質(zhì)子和中子“膠合”在一起。

50年代和60年代使物理學(xué)家們困惑的難題卻在于,，楊-米爾斯場(chǎng)不是"可重正化的”,；即當(dāng)應(yīng)用于簡(jiǎn)單相互作用時(shí)，楊-米爾斯場(chǎng)不產(chǎn)生有限和有意義的量,。這就使量子理論在描述弱相互作用和強(qiáng)相互作用時(shí)變得沒(méi)用了,。量子物理學(xué)碰壁了。

這個(gè)問(wèn)題所以產(chǎn)生,，是因?yàn)槲锢韺W(xué)家們?cè)谟?jì)算當(dāng)兩個(gè)粒子相互碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象時(shí),，他們用了所謂的微擾論。它說(shuō)明物理學(xué)家們用了巧妙的近似方法,。例如,，在費(fèi)曼圖中，我們看到當(dāng)一個(gè)電子與另一個(gè)弱相互作用粒子（難以捉摸的中微子）相撞時(shí)所發(fā)生的事情,。

• （a）在量子理論中,，當(dāng)亞原子粒子彼此碰撞時(shí)，它們交換量子,。電子和中微子通過(guò)交換一個(gè)叫做W玻色子的粒子而相互作用,。（b）為了計(jì)算電子和中微子完整的相互作用，我們還必須加上無(wú)限多個(gè)圖形,，它們稱為費(fèi)曼圖,，這里量子以越來(lái)越復(fù)雜的幾何圖樣進(jìn)行交換。這種添加無(wú)窮多個(gè)費(fèi)曼圖的過(guò)程稱為微擾論,。

這給了我們一種粗糙而合理地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一級(jí)近似,。

但是按照量子理論，我們還必須對(duì)這種初步猜想加一些小的量子修正,。為了使我們的計(jì)算嚴(yán)密,，我們還必須在費(fèi)恩曼圖中增添所有可能畫出的圖形。在理想情況下,，這些量子修正應(yīng)該是很小的,。畢竟，像我們前面提到的那樣,，量子理論就意味著給牛頓物理學(xué)一個(gè)微小的量子修正,。但是使物理學(xué)家們大為震驚的是，這些量子修正,，不是小量而是無(wú)窮大,。

此外,，與較為簡(jiǎn)單的麥克斯韋場(chǎng)相比，楊-米爾斯場(chǎng)極難計(jì)算,。在楊振寧和米爾斯提出他們的理論之后20年,，霍大特證明了楊-米爾斯場(chǎng)是一種明確界定的粒子相互作用理論?；舴蛱剡@項(xiàng)工作的消息像一道閃光那樣傳開(kāi)了。諾貝爾獎(jiǎng)得主格拉肖驚嘆道∶“這個(gè)小伙子不是一個(gè)十足的白癡,，就是攻克物理難題的最大大才”,。最先于1967年由溫伯格和薩拉姆提出的弱相互作用理論，很快就被證明是正確的,。到70年代中期,，楊-米爾斯場(chǎng)被用于強(qiáng)相互作用。在70年代,，人們已經(jīng)很好地認(rèn)識(shí)到,，所有核物質(zhì)的奧秘都能用楊-米爾斯場(chǎng)揭開(kāi)。

這就是拼圖游戲中缺失的一塊,，把物質(zhì)束縛在一起的“木頭”的秘密是楊-米爾斯場(chǎng),，而不是愛(ài)因斯坦的幾何學(xué)。物理學(xué)的核心是楊-米爾斯場(chǎng),，而并非是幾何學(xué),。

標(biāo)準(zhǔn)模型

楊-米爾斯場(chǎng)已經(jīng)使建立一種關(guān)于所有物質(zhì)的無(wú)所不包理論成為可能。事實(shí)上,，我們?nèi)绱藞?jiān)信這一理論,，以至于滿不在乎地稱它為標(biāo)準(zhǔn)模型。

標(biāo)準(zhǔn)模型能解釋關(guān)于亞原子粒子的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，直到能量大約高達(dá)1萬(wàn)億電子伏,。因此，說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)模型是科學(xué)史上最成功的理論也并不為過(guò),。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型,，束縛各種粒子的每一種力都是通過(guò)交換不同種類的量子而產(chǎn)生的。現(xiàn)在讓我們米分別討論每一種力,，然后把它們結(jié)合成標(biāo)準(zhǔn)模型,。

強(qiáng)力

標(biāo)準(zhǔn)模型表明，質(zhì)子,、中子和其他重粒子根本不是基木粒子,，而是由更小的叫做夸克的粒子組成。繼而,，這些夸克又具有各種不同的形式：3種“色”和6種“味”（這些名稱與真正的顏色和味道毫不相干）,。這些夸克也有與之配對(duì)的反物質(zhì),，它們叫做反奪克。

反物質(zhì)在所有的方面都與物質(zhì)相同,，只是所帶的電荷與其配對(duì)物質(zhì)的電荷相反,，它與通常的物質(zhì)接觸之后就會(huì)湮沒(méi)。

因此,，夸克總數(shù)是∶3×6×2=36種,。

同樣，夸克通過(guò)交換小的叫做膠子的能量包結(jié)合在一起,。從數(shù)學(xué)的角度看,，這些膠子由楊-米爾斯場(chǎng)來(lái)描述，楊-米爾斯場(chǎng)“凝結(jié)”成太妃糖似的粘乎乎的物質(zhì),，這些物質(zhì)把夸克永久“膠合”在一起,。膠子場(chǎng)非常強(qiáng)大，它把夸克緊緊束縛起來(lái),，以至于夸克不能彼此分離,。這就是所謂的夸克禁閉，它解釋了為什么在實(shí)驗(yàn)中從不能觀察到自由夸克,。

• 強(qiáng)相互作用的粒子實(shí)際上由更小的粒子組成,，這些粒子叫做夸克?？淇吮惶撬频摹澳z”束縛在一起,，這些膠則由楊·米爾斯場(chǎng)來(lái)描述。質(zhì)子和中子各由3個(gè)夸克組成,，介子則由1個(gè)夸克和1個(gè)反夸克組成,。

例如，質(zhì)子和中了,，可以比作由一根Y型的弦（膠子）以流星錘式樣結(jié)合在一起的3個(gè)小鋼球（夸克）,。另一些強(qiáng)相互作用粒子，如π介子,，則可比作由單根弦緊緊束縛在一起的1 個(gè)夸克和1個(gè)反夸克,。

顯然，如果彈這個(gè)奇妙的鋼球裝置,，就可以使它振動(dòng)起來(lái),。在量子世界中，只允許有一系列離散的振動(dòng),。一組夸克的每一種振動(dòng),，都相應(yīng)于一種不同類型的亞原子粒子。因此,，這解釋了存在著無(wú)窮多種強(qiáng)相互作用粒子的事實(shí),。描述強(qiáng)力的這一部分標(biāo)準(zhǔn)模型,，稱為量子色動(dòng)力學(xué)（簡(jiǎn)稱 QCD）。

弱力

在標(biāo)準(zhǔn)模型中,，弱力決定著“輕子”（比如電子,，μ子，τ子和與它們配對(duì)的中微子）的性質(zhì),。像別的力一樣,，輕子通過(guò)交換量子而相互作用，這些量子稱為W玻色子和Z玻色了,。在數(shù)學(xué)上,，這些量子也由楊-米爾斯場(chǎng)來(lái)描述。與膠子力不同,，由交換W玻色子和Z玻色子產(chǎn)生的力非常之弱，以至于不能把輕子束縛成一個(gè)共振體,，因此我們不會(huì)看到無(wú)窮多種輕子,。

電磁力

標(biāo)準(zhǔn)模型包含了與其他粒子相互作用的麥克斯韋理論。標(biāo)準(zhǔn)模型中決定電子和光相互作用的那一部分被稱為量子電動(dòng)力學(xué)（簡(jiǎn)稱QED）,，實(shí)驗(yàn)已以千萬(wàn)分之一的精度證實(shí)它是正確的,。從技術(shù)的角度講，它是科學(xué)史上最為精確的理論,。

所有的物質(zhì)均由夸克和輕子組成,，它們通過(guò)交換不同類型的量子而相互作用，這些量子由麥克斯韋場(chǎng)和楊-米爾斯場(chǎng)來(lái)描述,。人們從這種簡(jiǎn)單繪景就能以純數(shù)學(xué)的方式導(dǎo)出物質(zhì)所具有的令人困惑的大量特征,。

物理學(xué)中的對(duì)稱性

標(biāo)準(zhǔn)模型最重要的特點(diǎn)，是它以對(duì)稱性為基礎(chǔ),。對(duì)物質(zhì)（木頭）進(jìn)行這種研究的動(dòng)因,，正是在于我們能在這每一種相互作用中看到對(duì)稱性?？淇撕洼p子不是隨機(jī)的,，而是以確定的模式出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)模型中。

對(duì)稱性就是把物體變換形式或旋轉(zhuǎn)之后,，它的形狀仍然保持不變,。有幾種對(duì)稱性在自然界中反復(fù)出現(xiàn)。第一種是旋轉(zhuǎn)和反射對(duì)稱性,，例如,，雪片在旋轉(zhuǎn)60度之后仍保持原樣。我們把這些稱為時(shí)空對(duì)稱性,，它是將一個(gè)物體繞某一維空間或時(shí)間旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的,。狹義相對(duì)論的對(duì)稱性就屬于這種類型,，因?yàn)樗枋隽丝臻g和時(shí)間之間的旋轉(zhuǎn)。

另一種類型的對(duì)稱性,，通過(guò)打亂后重組一組物體而產(chǎn)生,。想想貝殼游戲，沿街小販攪亂3個(gè)貝殼,，其中一個(gè)貝殼下面有一顆豌豆,。這種游戲的困難在于，可以用多種方法來(lái)組合這3個(gè)貝殼（6種）,。因?yàn)橥愣共卦谙旅?，這6種構(gòu)形對(duì)于觀察者是等同的。貝殼游戲的對(duì)稱性被稱為S_2,，它描述了3個(gè)相同的物體互相交換可以有多少種方式,。

如果我們用夸克來(lái)代替貝殼，那么當(dāng)我們把夸克打亂后重組后,，粒子物理方程必須保持原樣,。如果我們重組3個(gè)帶色的夸克，而且方程保持原樣,，那么我們就說(shuō)該方程具有SU（3）對(duì)稱性,。這里的3代表有3種顏色，SU代表這種對(duì)稱所具有的某種特殊的數(shù)學(xué)性質(zhì),。我們說(shuō)有3個(gè)夸克處于某個(gè)多重態(tài),。處于一個(gè)多重態(tài)的這些夸克，可以打亂后彼此重組而不改變這種理論的物理內(nèi)容,。

與此相似,，弱力控制著電子和中微于這兩種粒子的性質(zhì)。交換這些粒子仍使方程不變的對(duì)稱性,，稱為SU（2）對(duì)稱性,。這意味著弱力的多重態(tài)包含一個(gè)電子和一個(gè)中微子，它們可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)而互相轉(zhuǎn)換,。最后,，電磁力具有U（1）對(duì)稱性，它把麥克斯市場(chǎng)的各個(gè)分量旋轉(zhuǎn)成它自身,。

這些對(duì)稱性中的每一種都很簡(jiǎn)單而優(yōu)美,。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型最具爭(zhēng)議的一面,，是它通過(guò)簡(jiǎn)單地把3種理論拼湊成1種大的對(duì)稱性而把3種基本力“統(tǒng)一”起來(lái),。這種大的對(duì)稱性是，

它只是各個(gè)力的對(duì)稱性之積,。理想上,，人們也許希望有一種“終極理論”,，使所有的粒子都僅僅處在一個(gè)多重態(tài)中。不幸的是,，標(biāo)準(zhǔn)模型卻有3個(gè)不同的多重態(tài),，它們之間不能相互旋轉(zhuǎn)。

超越標(biāo)準(zhǔn)模型

有幾個(gè)深刻的理由,，說(shuō)明了為什么標(biāo)準(zhǔn)模型不可能是終極理論∶

首先,，標(biāo)準(zhǔn)模型不描述引力，因此它必定不完備,。當(dāng)試圖把愛(ài)因斯坦理論拼接到標(biāo)準(zhǔn)模型中時(shí),，所得的理論給出了沒(méi)有意義的答案。比方說(shuō),，當(dāng)我們計(jì)算電了被引力場(chǎng)致偏的概率時(shí),，這種“雜交”理論給出了一個(gè)無(wú)窮大的概率，這是無(wú)意義的,。物理學(xué)家說(shuō)量子引力不可重正化,，這意味著量子引力不能得出用以描述簡(jiǎn)單物理過(guò)程的有意義的有限數(shù)值。

其次,，可能也是最重要的，標(biāo)準(zhǔn)模型很丑,，因?yàn)樗拄數(shù)匕?種截然不同的相互作用拼湊在一起,。其至連它的發(fā)明者也感到有幾分網(wǎng)窘。

標(biāo)準(zhǔn)模型之丑陋性與愛(ài)因斯坦方程之簡(jiǎn)單性形成了鮮明對(duì)照,；在愛(ài)因斯坦方程中,，一切都是從第一性原理導(dǎo)出的。為了理解標(biāo)準(zhǔn)模型與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論之間的美學(xué)反差,，我們必須認(rèn)識(shí)到當(dāng)物理學(xué)家在他們的理論中談到“美”時(shí),，他們真正所指的是，他們的理論至少具備兩種基本特征∶

1.某種統(tǒng)一的對(duì)稱性;

2.用最經(jīng)濟(jì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式解釋大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力了,。

標(biāo)準(zhǔn)模型在這兩個(gè)方面是失敗的,。首先，它的對(duì)稱性實(shí)際上是由3種較小的對(duì)稱性構(gòu)成,，這3種對(duì)稱性分別對(duì)應(yīng)于3種力中的1種,。其次，這種理論在形式上是笨拙而不便使用的,。相比而言愛(ài)因斯坦方程只有一行,。從這一行方程，我們就可以導(dǎo)出空間的卷曲,、大爆炸,，以及其他在天文學(xué)上重要的現(xiàn)象,。然而，僅僅完整地寫下標(biāo)準(zhǔn)模型就需要用去近一頁(yè)紙,，看起來(lái)就像是那些復(fù)雜符號(hào)的大雜燴,。

• 標(biāo)準(zhǔn)模型方程

楊振寧曾說(shuō)，

大自然似乎利用了對(duì)稱性定律的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)表示,。當(dāng)人們停下來(lái)思考有關(guān)數(shù)學(xué)推理之優(yōu)雅與美妙的完整性,，將它與復(fù)雜而深遠(yuǎn)的物理后果相對(duì)照時(shí)，就不能不因?qū)ΨQ性定律之威力而油然產(chǎn)生深深的敬畏感,。

然而,，在最基本的水平上（標(biāo)準(zhǔn)模型），我們發(fā)現(xiàn)了對(duì)這一規(guī)則的嚴(yán)重破壞,。這3個(gè)等同的家族中的每一個(gè)都與一批奇特的粒子相聯(lián)系,，它們的存在乃是標(biāo)準(zhǔn)模型最令人擔(dān)憂的性質(zhì)之一。它們向物理學(xué)家們提出一個(gè)歷久不衰的難題∶標(biāo)準(zhǔn)模型這個(gè)在科學(xué)史上極其成功的理論,，難道僅僅由于它丑陋就該被遺棄嗎,？

大統(tǒng)一理論

物理學(xué)家盧瑟福曾經(jīng)說(shuō)過(guò)∶“所有的科學(xué)，要么是物理學(xué),，要么是集郵,。他說(shuō)這些話的意思是，科學(xué)由兩部分組成,。首先是物理學(xué),，它以物理定律或物理原理為基礎(chǔ)。其次是分類學(xué),。

同樣,，當(dāng)達(dá)爾文把他的書起名為《物種起源》時(shí)，他已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了對(duì)自然界種類繁多的生物作出合乎邏輯的解釋的分類學(xué),。物理學(xué)所需要的,，是《物種起源》這本書的對(duì)應(yīng)物，它應(yīng)該稱為《對(duì)稱性的起源》,，它闡明的是在自然界中發(fā)現(xiàn)某些對(duì)稱性的原因,。

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型有很大的人為性，所以多年來(lái)人們一直在嘗試超越它,，并取得了種種成功,。有一項(xiàng)出色的嘗試稱為大統(tǒng)一理論（簡(jiǎn)稱GUT），在20世紀(jì)70年代末風(fēng)行一時(shí),。它企圖把強(qiáng),、弱和電磁量子的對(duì)稱性安排在一個(gè)更大的對(duì)稱性群，如 SU（5），0（10）,，或E（6）中來(lái)統(tǒng)一它們,。大統(tǒng)一理論不是簡(jiǎn)單地把這三種力的對(duì)稱性群拼湊在一起，而是試圖從某種更大的對(duì)稱性開(kāi)始,，這個(gè)對(duì)稱性具有較少的任意常數(shù)和較少的假設(shè),。大統(tǒng)一理論的粒子數(shù)目大大超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)模型，但它的優(yōu)點(diǎn)是用單一對(duì)稱性群取代了丑陋的SU（3）×SU（2）×U（1）,。這些大統(tǒng)一理論最簡(jiǎn)單的對(duì)稱性群稱為SU（5）,，它用了24種楊-米爾斯場(chǎng)，但是至少所有這些楊-米爾斯場(chǎng)都屬于某種單一的對(duì)稱性,，而不屬于3種各別的對(duì)稱性,。

大統(tǒng)一理論的美學(xué)優(yōu)點(diǎn)是，它們把強(qiáng)相互作用的夸克和弱相互作用的輕子置于同一基礎(chǔ)之上,。例如,，在SU（5）中，粒子的多重態(tài)由3個(gè)帶色的夸克,、1個(gè)電子以及1個(gè)中微子組成,。在SU（5）旋轉(zhuǎn)之下，這5個(gè)粒子可以相互轉(zhuǎn)換,，而不改變物理規(guī)律,。

起初，大統(tǒng)一理論遭到了強(qiáng)烈的懷疑,，因?yàn)槎N基本力被統(tǒng)一起來(lái)的能量大約是10^24電子伏,，只比普朗克能量稍稍小一點(diǎn)。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地球上任何一個(gè)原子對(duì)撞機(jī)所產(chǎn)生的能量,。然而,，物理學(xué)家們逐漸變得對(duì)大統(tǒng)一理論的想法感興趣了,，因?yàn)樗麄冎饾u認(rèn)識(shí)到這種理論有一種明確而可以檢驗(yàn)的預(yù)言∶質(zhì)子衰變,。

回憶一下，在標(biāo)準(zhǔn)模型中,，像SU（3）這種對(duì)稱性可通過(guò)旋轉(zhuǎn)使三種夸克互相轉(zhuǎn)換,，即一種多重態(tài)由三種專克構(gòu)成,。這意味著每一種夸克在某種條件下能轉(zhuǎn)變成另一種夸克,。然而，夸克不能轉(zhuǎn)變成電子,。多重態(tài)不能相混,。但在SU（5）大統(tǒng)一理論中，在多重態(tài)之內(nèi)有5 個(gè)粒子能彼此轉(zhuǎn)換∶3個(gè)夸克、1個(gè)電子和1個(gè)中微子,。這意味著,，在某種情況下，人們能把質(zhì)子轉(zhuǎn)變成電子或中微子,。換句話說(shuō),，大統(tǒng)一理論認(rèn)為質(zhì)子（它在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)一直被認(rèn)為是壽命無(wú)限長(zhǎng)的穩(wěn)定粒子）實(shí)際上是不穩(wěn)定的。原則上,，它也意味著宇宙中所有的原子最終都將變成輻射,。如果這是正確的話，它就意味著初等化學(xué)課上講的那些穩(wěn)定的化學(xué)元素實(shí)際上都是不穩(wěn)定的,。

但計(jì)算得出質(zhì)子衰變成輕子的時(shí)間是10^31年的數(shù)量級(jí),，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了宇宙的壽命。雖然這一時(shí)間尺度如此之長(zhǎng),，卻并未難倒實(shí)驗(yàn)家們,。因?yàn)槠胀ǖ囊幌渌邪馁|(zhì)子為數(shù)極其眾多，所以即使質(zhì)子衰變的平均時(shí)間具有宇宙學(xué)時(shí)標(biāo),，水箱中有某些質(zhì)子將會(huì)衰變的概率還是可以測(cè)定的,。

搜索質(zhì)子衰變

靈敏到足以探測(cè)質(zhì)子衰變的探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，需要使用昂貴而精密復(fù)雜的技術(shù),。首先,，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們需要建造探測(cè)質(zhì)子衰變的巨大容器。其次,，他們必須用富氫液體充滿容器,，這些富氫液體用特殊技術(shù)過(guò)濾，以濾去雜質(zhì)和沾污物,。更重要的是,，他們必須把這些巨大的容器深深地埋在地下，從而免遭穿透力很強(qiáng)的宇宙射線的沾污,。最后,，他們必須建造數(shù)以千計(jì)的高靈敏度的探測(cè)器，記錄由質(zhì)子衰變發(fā)射的亞原子粒子的微弱徑跡,。

至80年代未,，世界各地已有6臺(tái)巨大的探測(cè)器投入運(yùn)行。它們包含大量的純凈液體（如水）,，重量范圍從60噸到3300噸,。

最簡(jiǎn)單的SU（5）大統(tǒng)一理論預(yù)言，質(zhì)子的半衰期大約是10^29年,，即在10^29年之后,，宇宙中的一半質(zhì)子將已衰變,。雖然這一壽命看起來(lái)好像極其漫長(zhǎng)，但是那些探測(cè)器還是應(yīng)該能看到這些稍縱即逝的罕見(jiàn)事件,，因?yàn)樵谔綔y(cè)器中有著極其多的質(zhì)子,。每噸水中含有的質(zhì)子超過(guò)10^29個(gè)。有了這么多的質(zhì)子,，人們可以預(yù)期每年都會(huì)有一些質(zhì)子發(fā)生衰變,。

然而，無(wú)論實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家等待了多久,，他們都沒(méi)有看到任何質(zhì)子哀變的明確證據(jù),。如今，質(zhì)子的壽命看來(lái)必定要超過(guò)10^32年,。這就排除了較簡(jiǎn)單的大統(tǒng)一理論,，但是大門對(duì)更復(fù)雜的大統(tǒng)一理論仍有可能敞開(kāi)著。

質(zhì)子仍可能衰變,，大統(tǒng)一理論仍有可能被證明是正確的,，但是物理學(xué)家們現(xiàn)在對(duì)于把大統(tǒng)一理論吹捧成“終極理論”卻謹(jǐn)慎多了。這有幾個(gè)原因,。像標(biāo)準(zhǔn)模型一樣,，大統(tǒng)一理論并未提到引力。如果我們簡(jiǎn)單地把大統(tǒng)一理論與引力組合起來(lái),，那么這種理論將會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)窮大的數(shù),，而這是沒(méi)有意義的。此外,，它也為存在著3個(gè)相同的粒子家族所困擾,。最后，這一理論不能預(yù)言諸如夸克質(zhì)量之類的基本常量,。大統(tǒng)一理論缺乏更大的物理原理,，這種原理可以從第一性原理出發(fā)確定夸克的質(zhì)量及其他常量。歸根到底,，大統(tǒng)一理論似乎還是在集郵,。

基本難題在于，楊米爾斯場(chǎng)不足以提供用來(lái)統(tǒng)一所有四種相互作用的“膠水”,。由楊米爾斯場(chǎng)描述的木頭世界的威力,，尚不足以闡明大理石世界,。