宇宙大爆炸后不久，宇宙间只有一个初期的基本力量。 随着宇宙逐渐冷却，初始基本力开始分离为两种，其次是三种，最终发展为今天已知的四种基本力：引力(作用于有质量的物体之间)，http://www.Sina.com 物理学家梦想着统一弱核力这四种基本力量。

四种基本力量。

实际上，科学家已经在约100GeV的高能量下，利用粒子对撞机实验将电磁力和弱核力统一为“电磁力”。 这样的实验模拟了宇宙大爆炸后万亿分之一秒(10-12秒)的环境。

但是问题是，宇宙大爆炸后的10-36秒发生了什么？ 理论上，电弱力可以与强核力统一。 这种大一统的梦想始于1974年，Sheldon Glashow和Howard Georgi发现数学对称群su(3)、su(3)、u )1) ——分别对应强核力、弱核力、电磁力

在宇宙初期的高能量下，可以将4个基本的力集中在一起。 |图片来源： symmetry magazine

在su(5)中，所有粒子都可以表示为五边形和十边形的数学结构。 以五边形为例，它的每一边代表夸克，或者代表轻子。 夸克和轻子都是基本粒子。 但是在数学上，五边形的各边是相同的，在这个模型中无法区分夸克和轻子。 只有在宇宙冷却的时候，这种对称性才会崩溃，比喻的五边形就会变成碎片，每个碎片代表夸克和轻子。

su(5)的副作用之一是预言了夸克和轻子之间额外的相互作用。 这意味着当构成质子的三个夸克之一自发地变成一个轻子时，质子就衰变了。

质子衰变是大统一理论的重要预言。 |图片来源： symmetry magazine

强核力是大统一理论的非常重要的预言。 但唯一的问题是，目前的实验没有观测到质子衰变的征兆。 例如，日本超神冈探测器致力于监测衰变质子释放的辐射，但未观测到衰变的任何证据。 他们最新的研究成果将质子寿命下限提高到了1.610-34年[1]，这比su(5)预测的还要高几个数量级。

大统一理论认为，单一的初始基本力分离了今天支配基本粒子的强核力、弱核力、电磁力。 如果这是正确的，那么当这个大统一力再现的时候，阳子应该会崩溃。 从照片中可以看出质子的衰变路径。 1代表由三个夸克组成的质子。 其中一个夸克转化为相应的轻子，发射出锥形的切伦科夫辐射。 另外两个夸克暂时产生不稳定的介子，很快衰减成两条伽马射线，分别发射锥形辐射。 大统一理论有许多不同的模型，超神冈探测器的结果排除了一些理论(红色横条)，一些模型可能仍然是正确的。 |图片来源： quanta杂志

su )5)虽然模型尽可能地简化，但研究人员发现了一系列可以嵌入现有粒子的对称群，这些附加特征和变量可以延长质子的寿命，超过以前实验得到的结果。 一些模型添加了额外的对称性，称为“万有理论”，使粒子数瞬间翻倍。 但问题是，欧洲核研究中心的大型强子对撞机没有找到超对称的证据。

目前没有观测到质子的衰变，也没有发现超对称理论预言的新粒子，但很多人相信大统一理论是正确的。 著名粒子物理学家John Ellis说：“大统一理论在哲学意义上的动机依然存在，一如既往地重要。 我还爱着超对称理论。 我也同时着迷于大统一理论。 ”相信大统一理论的科学家们认为，质子的寿命可能超过了现在探测器的能力。 因此，他们只能把希望寄托在比现有更大的探测器上，比如日本的Hyper-K实验和美国的DUNE实验。 当然，也有人像最早提出大统一理论的Glashow一样，对大统一理论完全失去了兴趣。

大统一理论的发展(标准模型的粒子和基本力可以嵌入越来越大的对称群，这对应着越来越复杂的大统一理论。 上图显示了一些大统一理论的二维投影。 你会发现粒子是根据自己的电荷沿着灰色的轴配置的。 载体粒子，即玻色粒子用圆形和正方形表示，构成物质的粒子，即费米粒子用其他多边形表示。 |图片来源： Elementary Particle Explorer、Garrett Lisi、Troy Gardner、Greg Little

除了长期等待未来的实验结果，不是还有别的可能性吗？电弱力这确实有可能。 在最新的论文[2]中，加州大学圣地亚哥分校的Bartosz Fornal和Benjamn Grinstein基于su(5)

在新模型中，Fornal和Grinstein在su(5)中添加了两个新结构。 一个有40条边，另一个有50条边。 这些结构表示重场，有助于统一电弱力和强核力，可以阻止质子衰变。 同时，他们建立的理论，没有必要依赖超对称理论。 他们的结果再次说明了这个成熟的领域仍然充满着丰富和魅力。

接下来，他们要做的就是用这个新模型来解释为什么2012年发现的希格斯玻色子的质量比预想的要轻。 这也许可以通过在理论中增加额外的场来解决。 这个方法有时被证明非常有用。 例如，为了解释所有粒子的质量起源之谜，物理学家在理论中加入了希格斯场。 实验证明这是正确的。 他们也想通过修正理论将暗物质粒子的候选引入模型。

在等待新的实验结果之前，这可能是值得尝试的方向。

[1] https://arxiv.org/ABS/1610.03597

[2] https://arxiv.org/ABS/1706.08535

[3] https://www.quanta magazine.org/no-proton-decay-means-grand-unification-must-wait-2016 12 15 /

[4] https://www.symmetry magazine.org/article/a-gut-feeling-about-physics