科学的终极目标：大统一理论！我们距离宇宙至理还有多远？

（上图简要描述了万物理论的基本模型，自然界中有四种基本力，即强核力，弱核力，电磁力和万有引力。在100GeV的能量下，电磁力和弱核力统一成为电弱力，这一点已经得到证明。在10^15GeV的能量下，强核力和电弱力统一成为电核力，也就是大统一理论模型，在10^19GeV的能量下，万有引力和电核力统一，形成万物理论，能够用一个方程式描述所有的粒子和力）

图解:万有理论由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象。它由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象。它是通过衰变为强子喷流的质子与电子的碰撞形成的。是通过衰变为强子喷流的质子与电子的碰撞形成的。

20世纪70年代中期，史蒂文·温伯格、阿布杜斯·萨拉姆和谢尔登·格拉肖所做的研究成果令科学家们为之一振，他们创造了电磁力和弱核力的统一理论，即电弱统一理论。物理学家格拉肖、乔治等人提出，使用一种叫做“群论”的算法，可以通过“SU(5)”的对称性将弱核力和电磁力与由胶子介导的强核力结合起来。这个理论后来成为了物理学界众所周知的大统一理论或缩写为”GUT”，并迅速衍生出许多类似理论，包括“超对称性大统一理论(SUSY- GUTs)”、“超重力理论”和“具有额外维度的超对称性大统一理论”。直到上世纪80年代初大统一理论为弦理论所取代。

在上世纪70年代末，80年代初，大统一理论是如此的激动人心，因为它似乎可以用通用的数学语言来解释强核力，弱核力以及电磁力。其最主要的论断是，在高达1000*10亿*10亿伏特（10^15吉电子伏）的巨大能量下，强核力会和电磁弱核力相似（或统一）。将这些观点应用到宇宙学当中也催生了暴胀宇宙学。

如今，粒子物理标准模型应用了大统一理论的一些基本概念，将物理量(除重力外)统一起来。物理学家们努力寻找希格斯玻色子，试图证实大统一理论中的几个基本观点，比如“自发对称性破缺”。在2012年，也就是预测出希格斯玻色子的存在的50年后，科学家们在大型强子对撞机上发现了这种难以捉摸的粒子。这是一个跨时代的发现，因为它证明了自发对称性破缺的整个概念应当是有效的。上世纪70年代中期，史蒂文·温伯格、阿布斯·萨拉姆和谢尔登·格拉肖因电弱统一理论而获得诺贝尔奖，而自发对称性破缺正是该理论的核心，同时也是大统一理论数学计算中的重要概念。

20世纪70年代，关于大统一理论的研究正蓬勃发展，物理学界发现了自然界中有一种新的“超对称性”，虽然那时还并未找到这种超对称性。但同时也有不如人意的事，当时的标准模型中具有几十个可调实验常数，这些常数都需要进行微调，从而和我们物质世界中包含的常数保持相同。这些常数包括万有引力常数，光速，精细结构常数，确定轻子和夸克的相互作用程度的常数。物理学家们认为这难度过大，所以他们正在寻找一种更好的理论，能够使用更少的特殊常数，还有一个问题是，标准模型中不包括重力。

当时，人们曾希望万有引力能以某种方式融入到大统一理论当中，但由于弦理论的出现，这一希望最终未能实现。因为弦理论为我们提供了一种新方法----将万有引力视为“量子场”。由于最流行的弦理论版本含有超对称性，因此它们被称为超弦理论。

超对称性已经发展成为许多理论里能够统一包括引力在内的所有四种相互作用力的关键概念，然而，在欧洲核子研究中心大型强子对撞机对其迹象进行了5年的寻找之后，仍然没有发现它的踪迹。标准模型就摆在那里，但其中的强核力和电弱力可能无法进一步统一。

大统一理论

大统一理论是粒子物理学的一个标准模型，这个标准模型描述了在高能量下，三种基本力----强作用力，弱作用力和电磁作用力会融合成为一个力。尽管未能直接观察到这种统一力，许多大统一模型都理论证明其存在。如果这三种相互作用确实能够统一，那么也意味着，在宇宙初期，这三种基本力并无分别时，存在着大统一的时期。

实验证明了在高能量下，电磁相互作用作用和弱相互作用会统一为电弱相互作用。大统一模型预测在更高的能量下，强相互作用和弱磁相互作用为统一为电核相互作用。这种相互作用的特征是一个更大的对称性，有几个力载体，但只有一个统一的耦合常数。将万有引力与电核的相互作用统一起来，就会产生万物理论(TOE)。大统一理论通常认为是万物理论的中间步骤。