引言

20世纪以来，包括爱因斯坦、外尔等一大批科学家开始追求物理的大一统，而格拉肖的电弱统一理论提出，则标志着物理大一统理论走出了跨越性的一步，成为了物理大一统的重要基石，是粒子物理中的伟大成就。今天我们就从其提出背景、具体内容、实质意义三个方面带你了解电弱统一理论。

四大相互作用的发现

苹果落地，人有体重，月亮围绕太阳，这些都是自然界的现象，1687年，牛顿出版《自然哲学的数学原理》将这些自然现象进行总结提出了万有引力定律，任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比。如果用m1、m2表示两个物体的质量，r表示它们间的距离，则物体间相互吸引力为F=（Gm1m2）/r²。而爱因斯坦则对引力的产生提出了解释，在广义相对论中，他提出万有引力是由于时空弯曲而产生。

地球围绕太阳正是因为有引力的存在

1767年，约瑟夫·普利斯特里做实验发现，在带电金属容器的内部，电作用力为零。从这实验结果，他准确猜测，带电物体作用于彼此之间的吸引力与万有引力都遵守同样的定律。1785年，查尔斯·库仑用扭秤做实验证实了普利斯特里的猜测，两个带电物体施加于彼此之间的作用力与距离成平方反比。他奠定了静电的基本定律，即库仑定律。

静电场

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现通电导体周围存在着磁场，法拉第也通过实验证实了这一现象，后来，麦克斯韦在法拉第的基础上进一步将将电学、磁学、光学统一起来，提出了电磁理论。在20世纪50年代，科学家将电磁理论深入到微观领域，科学家发现，当进入到原子的尺度时（0.1nm），会发现所有的物质都是由不同的原子构成的，而原子是由不同的原子核与电子构成的，带负电的电子与带正电的原子核（由质子与中子构成）经由电磁作用紧密地结合在一起。由此发展出了量子电动力学。

从伦琴发现X射线，到居里夫人发现了镭，科学家们发现，原来原子量很大的元素，几乎都具有放射性。这种放射性共有三种不同的成分，分别是α、β、γ射线，这个时候，科学家就十分好奇，到底是什么力量把α、β、γ射线中的粒子从原子核内部抛出来的呢？费米认为是弱力在起到作用，他把弱力用看做是一种参与作用的四个粒子(如中子衰变中的中子、质子、电子和中微子)之间的点相互作用，提出了费米弱作用理论。

由放射源放出的三种射线(α,β,γ),

1935年汤川秀树提出了质子和中子通过交换一种未知的介子形成原子核内很强的束缚力(核力)，这种力与交换无质量光子的电磁力不同，它是短程力，这是人类第一次接触到强力，后来科学家又在实验室中发现了几百种有强相互作用的粒子，这些粒子统称为强子。（所有受到强相互作用影响的粒子就叫强子），但是知道20世纪60年代，关于强力的理论—量子色动力学才逐渐完善。

强相互作用力（Strong Nuclear Force）把原子核里面的中子和质子紧紧束缚在一起

在这四大相互作用之中，作用距离最短的是弱力，其次是强力，然后引力和电磁力的作用距离都是无限，而其中最强的则是强力，然后是电磁力、弱力，最弱的是引力，两个质子间的万有引力只有它们间的电磁力的1/（1.235*10的36次方），质子受地球的引力也只有它在一个不强的电场1000伏/米的电磁力的1/（9.761*10的9次方）。

在宏观世界里，能显示其作用的只有两种：引力和电磁力。其中引力负责传递的例子是目前还处于假设当中的引力子，而强力负责传递的则是胶子，电磁力负责传递的光子，而弱力传递的是玻色子。

从20世纪初开始人类就想将这四大相互作用统一，从而实现物理的大一统。

爱因斯坦探索的失败

在完成了《广义相对论》之后，爱因斯坦一直想要实现物理的大一统，他后半生30年的光阴基本上耗费在了这上面。

因为在20世纪初，弱力和强力还没有被发现，爱因斯坦的几何化观点一度十分盛行，也就是数学直观与物理直观相结合 ,相应的数学理论便成为物理理论的基础。黎曼几何与爱因斯坦相对论正是这种情形。在广义相对论中 ,引力场由度量张量代表 ,自由下落的粒子沿测地线运动,场方程是广义协变的 , 整个空时就是黎曼流形。这就是物理学的几何化。

再加上在广义相对论中引力场被描述为时空的弯曲，因此设法进一步把电磁场也和时空的其他几何属性联系起来，便成为那时统一电磁作用和引力作用的各种理论方案的中心思想。所以当时爱因斯坦等一众科学家都想要将电磁力和引力相统一，由此提出了统一场论。

大数学家外尔从爱因斯坦广义相对论的对称性得到启发，意识到了电磁场的麦克斯韦方程也应当像爱因斯坦场方程一样，对应于一种基本的对称性，外尔在1918 —1919 年间连续发表《纯粹无穷小几何》、《引力与电力》和《相对论的一个新推广》三篇论文。建立了一种叫做“标度不变性”的对称变换，以统一引力和电磁力为目标，从对称观点出发，立足于规范不变，可惜却没有成功。（虽然没有实现大一统，却为杨振宁的规范场论奠定了基础）

爱因斯坦曾这样评价外尔的尝试：“你的思想表现出一种奇妙的内在一致性。除了与实在的符合之外 ,无论如何 ,它都是巨大的思想成果。”

“尽管你的想法非常美妙 ,但我不得不坦诚地说 ,依我看来 ,这个理论不可能与自然相符。”

但是爱因斯坦的探索却一直失败，他在 1929 年发表了《关于统一场论》的新论文，这篇论文试图在时空流形除了具有黎曼度规外还具有绝对平行性的条件下去获得引力和电磁力的统一理论，但是却并没有得到实质性的突破，后来爱因斯坦又转向研究卡鲁查-克莱因理论，卡鲁查是早期统一场论研究的代表人物，T.卡鲁查和O.克莱因把电磁势当作五维时空度规张量的部分分量，他并不是像爱因斯坦思考那样，建立新的几何理论去统一引力与电磁作用，而是把黎曼几何从 4 维 推广到 5维。革命性地提出了高维空间的概念。

然而爱因斯坦花了十年的时间去研究卡鲁查-克莱因理论，却依然没有实现电磁力和引力的统一。但是爱因斯坦的探索却为后来科学家探索物理大一统指明了新的方向。

电弱统一理论的提出

随着弱力的强力的相继发现，科学家不再执着于引力和电磁力的统一，而是另辟蹊径，想要先实现弱力和电磁力的统一。

这个时候，杨振宁把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念，推广到不可对易的定域对称群。揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质，从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径。由此提出了杨·米尔斯理论，构成了现代规范场理论的基础。

1957年施温格建议光子和弱作用中间玻色子W 和W-是一个家族的三个成员，以非常直接的方式把弱作用与电磁作用统一了起来。但是W非常重，光子没有质量，它们怎么能看成一个多重态的成员，对此他不能给出令人满意的解释。

1958年，费曼和盖尔曼与马尔萨克和苏达珊两组理论家几乎同时提出了V-A理论，修改费米弱作用理论。因为费米使用的是基于四个费米子直接接触而相互作用的一种唯象理论。费米理论在低能极限与实验结果符合得很好，但用于高能情况时不太成功。费米理论预言宇称守恒，显然与实验事实不符。此外，接触作用的模式有其局限性，从现代物理量子场论的观点，无论作用距离多近，都应该用它们之间的场来描述。

费曼

按照V-A理论，中子与质子或中微子与电子不仅形成了矢量流(V)，而且还形成了一种轴矢量流(A)。流－流耦合还是对的，只不过现在的流是矢量流与轴矢量流的组合。V和A在空间反射变换下符号的变化刚好相反，所以“V—A”理论中的拉格朗日函数包括的两项在空间反射变换下符号的变化相反，变换后的拉格朗日函数与变换以前不再相同，不变性不再存在。

但是V-A理论并没有解决费米理论中的实际问题，比如不可重整化和在高能下破坏几率守恒。在V-A理论理论之后，施温格让自己的学生格拉肖来继续这项工作。

弱力与电磁力虽然存在某些共同点，却有许多本质性的不同，比如说，量子电动力学认为,两个带电粒子(比如两个电子)是通过互相交换光子而相互作用的.，而弱相互作用的理论指出，它是由W及Z玻色子的交换（即发射或吸收）所引起的，由于弱力是由玻色子的发射（或吸收）所造成的，所以它是一种非接触力。

两者是完全不同的相互作用形式，并且，弱相互作用的耦合常数（相互作用强度的一个指标）介乎10−7【10的负7次方】与10−6【10的负6次方】之间，而相比下，强相互作用的耦合常数约为1。两者相差好些个数量级，如何能够将它们统一起来呢？

然而，科学家们注意到，两种相互作用的相对强度，是随着作用距离的变化而变化的。当粒子之间的距离小于10^ 7米（表现为能量增加到1012GeV）之后，弱力将随着距离的减小而迅速增大，最后将达到可以与同样距离的电磁力相比较的程度。

电弱在高能（短距离）时统一成一种力

在距离很短时，刚才所说的弱力与电磁力之间强度的差别就不成为问题了。在那种情形下，将弱相互作用与电磁作用统一起来，应该是完全可能的。

格拉肖创新性地将电磁作用与弱作用统一到一个数学框架中。格拉肖写出了正确的群结构，引入了弱相互作用的中性流及其传播子 （即Z玻色子） 。不过格拉肖模型的缺陷是：它基本上还只是一个唯象学模型，并没有以杨·米尔斯场论为基础；因此它缺少对称性自发破缺的机制，这个时候希格斯机制的提出让这项工作得以继续。

1964 年，仅仅只有 23 岁的希格斯写了一篇短小的论文，发表在欧洲核子研究中心（CERN）办的刊物《物理学通信》上刊登。随后他又写了一篇论文投给《物理学通信》，描述一种自己设想的理论模型，就是现在被称为“希格斯机制”的模型。

与此同时，还有另外两组科学家也独立地提出了希格斯机制，一组为弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特，一组为为杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔。这三个人的工作各有侧重。

恩格勒和罗伯特首次提出了量子场方程，这种无形的场弥漫于整个宇宙，使得粒子得到了质量，从而形成了如今的宇宙。，这种场也被称为“希格斯场”，相应的机制被称为“希格斯机制”。

希格斯机制是一种生成质量的机制，能够使基本粒子获得质量。为什么费米子、W玻色子、Z玻色子具有质量，而光子、胶子的质量为零？希格斯机制可以解释这问题。希格斯机制应用自发对称性破缺来赋予规范玻色子质量，从而解决了杨·米尔斯理论要求规范玻色子是零质量的，但是最终观测到W和Z玻色子是有质量的问题。

1968年左右，温伯格受到希格斯一篇文章的启发，他将格拉肖的电弱统一模型建立在了Yang-Mills场论的基础之上，并且巧妙地将对称自发破缺的希格斯机制应用到模型之上，解决了弱作用中间玻色子的质量问题，并预言了弱中性流的传播子Z玻色子与轻子对的耦合强度。。

但温伯格的文章在当时并未受到重视，因为它存在发散，即不可重整化的问题。后来，荷兰维特曼教授指导下，他的博士生特·霍夫特发表了“无质量Yang-Mills场的重整化” （Renormalization of Massless Yang-Mills Fields） 和“有质量Yang-Mills场的可重整拉格朗日量” （Renormalizable Lagrangians for Massive Yang-Mills Fields）两篇论文证明了规范理论可重整化之后，电弱统一的规范理论才被物理界认定为一个现实可行的理论。

自此，电弱统一理论才正式成熟，电弱统一理论预言的中间玻色子W±、Z0的质量于1983年的实验得到证实。关于中性弱流的预言也被多次实验所证实。电弱统一理论已经是一个得到实验相当严格检验的科学理论。。

电弱统一理论中“自发对称破缺”的希格斯机制

据电弱统一模型，弱力和电磁力被认为是同一种力的两种表现。在对称破缺之前，即中能量高于10-13GeV时，弱力和电磁力完全不可区分，具有SU(2)x U(1) 弱超荷的对称性，对应于4个无质量玻色子W1W2 W3 B。其中SU(2)来自于“弱同位旋”对称性，U(1) 弱超荷来自于“弱超荷”的对称性。对称尚未破缺时，真空中布满了希格斯场，与4种玻色子相互作用直到“自发对称破缺”发生。

电弱统一理论的意义

电弱统一理论的成功标志着物理大一统迈出了实质性的一步，在此基础上，物理学家发展出来了标准模型。电弱理论的成功重新引起了人们对杨·米尔斯理论的兴趣，人们尝试在电弱统一理论的基础上将量子色动力学进行统一，由此诞生了标准模型。

电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都是规范场论，即它们把费米子跟玻色子（即力的中介者）配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为规范玻色子。

标准模型共61种基本粒子，根据自旋分成分为费米子和玻色子两大类，费米子（指组成物质的粒子，如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子），有半整数自旋（如1/2，3/2，5/2等），玻色子（指传递作用力的粒子，如传递电磁力的光子、介子、传递强核力的胶子、传递弱核力的W和Z玻色子）有整数自旋（如0，1，2等）。自旋的差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。费米子拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。简单来说，费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。

标准模型

大统一理论是标准模型的一个扩展。它假设SU(3)、SU(2)及U(1)群其实是一个更大的对称群的成员。只有在高能状态（比现时实验能达到的能量还要高）这个对称性才能保存；在低能状态，它自发破缺到SU(3)×SU(2)×U(1)。首先，模型中包含了许多参数，如各粒子的质量和各相互作用强度。这些数字不能只从计算中得出，而必须由实验决定。弱电对称破缺还没有满意的解释。再次，理论中存在所谓的自然性问题。最后，这理论未能描述引力。

然而正如科普作家卢昌海所说：“二十世纪六十年代和七十年代是一个实验物理学家和理论物理学家彼此关注， 在合作中做出伟大发现的年代。 自那以后在基本粒子物理中我们再也不曾有过同样伟大的日子。”电弱统一理论的诞生是这一切伟大成果诞生的重要基石之一。

尽管人类离物理大一统还只差一步，但这一步却异常艰难，温伯格在接受采访中说，他目前最关心的问题仍旧是基本粒子的质量起源问题。这个问题，正如德国数学家莱布尼茨在几百年前所问的那样，“Why is there something rather than nothing?”。（这句话每个人的理解不同翻译也就不一样，大家可以自由理解）

这将是人类在解决物理大一统的道路上无法回避的问题，而这将涉及到宇宙的终极奥秘！