導讀：引力為什麼不能納入標準模型中？本章將帶著這個問題，為大家講述原因。內容摘錄自靈遁者先生書籍《變化》

內容正文：

首先說說，為什麼贊同這個大統一理論的方向，原因很簡單，聯絡是普遍的，必然的。那麼對於宇宙而言，就應該存在一套可以描述整體宇宙執行的“語言”，該“語言”就是大統一理論。

而在整體宇宙上的觀點，我在書中寫的很明了，宇宙是一個開放的非線性波動系統。注意三個關鍵詞：開放性，非線性，波動性系統。

1、開放性是說種種跡象表明，宇宙不是一個封閉的系統。熱力學第二定律就很好的指明了這一方向。也就是說它有某種意義上的無限性。主要是時空上的無限拓展性。其實我不大願意，說宇宙在時間和空間上是無限的。因為時間和空間難以分割。

但人們的受思維習慣限制，可能更容易理解宇宙在時間和空間上是無限的。為了好理解，這樣說是可以的。

2、非線性，是相對於線性來說的。在自然規律中絕對線性的關係其實寥寥無幾。非線性關係才是描述大自然規律的重要工具。通常是這樣定義的：非線性即變數之間的數學關係，不是直線而是曲線、曲面、或不確定的屬性，叫非線性。

非線性是自然界複雜性的典型性質之一;與線性相比，非線性更接近客觀事物性質本身，是量化研究認識複雜知識的重要方法之一;凡是能用非線性描述的關係，通稱非線性關係。線性意味著系統的簡單性，但自然現象就其本質來說，都是複雜的，非線性的。

而大家在想到非線性理論的時候，應該想到它的給近義詞，叫混沌理論。混沌理論是一種兼具質性思考與量化分析的方法，用以探討動態系統中無法用單一的資料關係，而必須用整體，連續的資料關係才能加以解釋及預測之行為。關於混沌理論有這樣一句話："一切事物的原始狀態，都是一堆看似毫不關聯的碎片，但是這種混沌狀態結束後，這些無機的碎片會有機地彙集成一個整體"

混沌一詞原指宇宙未形成之前的混亂狀態，古希臘哲學家對於宇宙之源起即持混沌論，主張宇宙是由混沌之初逐漸形成現今有條不紊的世界。在井然有序的宇宙中，西方自然科學家經過長期的探討，逐一發現眾多自然界中的規律，如大家熟知的地心引力，槓桿原理，相對論等。這些自然規律都能用單一的數學公式加以描述，並可以依據此公式準確預測物體的行徑。

近半世紀以來，科學家發現許多自然現象即使可以化為單純的數學公式，但是其行徑卻無法加以預測。如氣象學家Edward Lorenz發現簡單的熱對流現象居然能引起令人無法想象的氣象變化，產生所謂的"蝴蝶效應"。 60年代，美國數學家Stephen Smale發現某些物體的行徑經過某種規則性變化之後，隨後的發展並無一定的軌跡可循，呈現失序的混沌狀態。

這說明什麼呢？這就說明自然現象用單一公式和資料描述，屬於近似線性關係。絕對的線性關係，多隻是數學遊戲，不代表現實世界。就像π，引力常數，精細結構常數，自然數e等等，都是無窮小數，而計算又離不開這些符號，所以計算怎麼能得到絕對的結果呢？所以非線性關係才是更普遍的。

混沌理論又有點像老子描述的“道”，但這是一種從哲學上理解的途徑，和科學還是有區別的。

所以非線性就意味著，宇宙的大統一理論不會是一個單一的公式，或者單一的描述，它是複雜的，一套彼此連線的理論。就像目前標準模型所發展的模樣，它是一個大的規範群，是一個規範群為SU(3) ×SU(2)×U(1)的規範場論。而那個大統一理論，就是包含這個規範群的。現在的瓶頸就是這個規範群並沒有包含引力理論。後面給大家詳細說說這個發展過程。

3、所謂波動性系統，就是它是一個動態，變化的，運動的系統。宇宙處於時刻變化之中。

接下來就說說規範群為SU(3)×SU(2)×U(1)。最早包含規範對稱性的物理理論是詹姆斯·麥克斯韋的電動力學。麥克斯韋在他的論文裡特別提出，這理論源自於開爾文男爵於1851年發現的關於磁矢勢的數學性質。但是，該對稱性的重要性在早期的表述中沒有被注意到。大衛·希爾伯特假設在座標變換下作用量不變，由此推匯出愛因斯坦場方程時，也沒有注意到對稱性的重要。

之後，赫爾曼·外爾試圖統一廣義相對論和電磁學，他猜想尺度（“規範”）變換下的“不變性”可能也是廣義相對論的區域性對稱性。後來發現該猜想將導致某些非物理的結果。但是在量子力學發展以後，外爾、弗拉基米爾·福克（俄語：Vladimir Fock）和弗裡茨·倫敦（英語：Fritz London）實現了該思想，但作了一些修改（把縮放因子用一個複數代替，並把尺度變化變成了相位變化—一個U(1)規範對稱性），這相應於帶電荷的量子粒子其波函式受到電磁場的影響，給定了一個漂亮的解釋。這是第一個規範場論。泡利在1940年推動了該理論的傳播。

1954年，為了解決一些基本粒子物理中的巨大混亂，楊振寧和羅伯特·米爾斯引入非交換規範場論，來建構將核子綁在原子核中的強相互作用的模型。（Ronald Shaw，在阿卜杜勒·薩拉姆指導下，在他的博士論文中獨立地引入了相同的概念。）通過推廣電磁學中的規範不變性，他們試圖構造基於（非交換的）SU(2)對稱群在同位旋質子和中子對上的作用的理論，類似於U(1)群在量子電動力學的旋量場上的作用。在粒子物理中，重點在於量子化規範場論。

該思想後來被發現能夠用於弱相互作用的量子場論，以及它和電磁學的電弱統一理論中。當人們意識到非交換規範場論能夠匯出漸近自由的時候，規範場論變得更有吸引力，因為漸近自由被認為是強相互作用的一個重要特點，因而推動了尋找強相互作用的規範場論的研究。這個理論現在稱為量子色動力學，是一個SU(3)群作用在夸克的色荷上的規範場論。這樣標準模型用規範場論的語言統一了電磁力、弱相互作用和強相互作用的表述。

大統一理論簡稱GUT，又叫萬有理論，由於微觀粒子之間僅存在四種相互作用力，萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力。理論上宇宙間所有現象都可以用這四種作用力來解釋。通過進一步研究四種作用力之間聯絡與統一，尋找能統一說明四種相互作用力的理論或模型稱為大統一理論。愛因斯坦在晚年就致力於這一理論的誕生，但是當時對於量子力學的研究，遠遠沒有達到現在的程度，所以他註定完成不了這個任務。

早在20世紀20年代，著名物理學家愛因斯坦就致力於尋找一種統一的理論來解釋所有相互作用，也可以說是解釋一切物理現象，因為他認為自然科學中“統一”的概念或許是一個最基本的法則。甚至可說在愛因斯坦的哲學中，“統一”的概念根深蒂固，他深信“自然界應當滿足簡單性原則”。

我看詞條上看到說愛因斯坦試圖通過“弱作用，磁場，強作用”的統一思維來簡單的解釋宇宙，進一步將當時已發現的四種相互作用統一到一個理論框架下。這一說法是錯誤的，因為強相互作用是愛因斯坦逝世後才提出來的。愛因斯坦逝世時是1955年。強相互作用提出時間是1973年。包括弱相互作用與電磁相互作用統一，也已經到了1968年，叫弱電相互作用。

它表明弱相互作用與電磁相互作用是同一種相互作用的不同方面。就好像電和磁是同一作用的不同面。這套理論的開發者為謝爾登·格拉肖、阿卜杜勒·薩拉姆與史蒂文·溫伯格。他們的研究在1979年獲得了諾貝爾物理學獎的肯定。希格斯機制解釋了三種大品質玻色子（弱相互作用的三種載體）的存在，還有電磁相互作用的無品質光子。

根據電弱理論，在能量非常高的時候，宇宙共有四種無品質的規範玻色子場，它們跟光子類似，還有一個復向量希格斯場雙重態。然而在能量低的時候，規範對稱會出現自發破缺，變成電磁相互作用的U(1)對稱（其中一個希格斯場有了真空期望值。雖然這種對稱破缺會產生三種無品質玻色子，但是它們會與三股光子類場融合，這樣希格斯機制會為它們帶來品質。這三股場就成為了弱相互作用的W+、W−及Z玻色子，而第四股規範場則繼續保持無品質，也就是電磁相互作用的光子。

那麼問大家一個問題，為什麼愛因斯坦時代不可能做出這樣的統一？原因很簡單，那時候高能粒子對撞機還不夠發達，無法窺探粒子核內的情況。沒有新的發現，大統一理論自然停滯不前。

具體是這樣的，自然界一共有4種相互作用，除了引力相互作用和電磁相互作用外，還有強相互作用和弱相互作用。這4種相互作用強度大小和作用範圍都相差懸殊，也大相徑庭。例如，引力的強度只有強相互作用力的100萬億億億億分之一，引力的作用範圍卻非常大，從理論上說可以一直延伸到無限遠的地方，引力是長程力；而強相互作用力的範圍卻很小很小，只有1釐米的10萬億分之一，它是短程力；弱相互作用力也是短程力，力程不到1釐米的1000萬億分之一，強度是強相互作用力的1萬億分之一；電磁力與引力一樣是長程力，但它的強度要比引力大得多，是強相互作用力的1/137。4種相互作用在性質上看來有明顯的差異，然而科學家們卻在思索這4種相互作用能不能在一定條件下得到統一的說明？

從60年代起，溫伯格就著手弱相互作用與電磁相互作用的統一。統一之路並不平坦，溫伯格甚至不清楚該從哪裡入手。從50年代末到60年代，在基本粒子理論領域裡，對稱性自發破缺理論獲得了較大的發展。

李政道和楊振寧在1956年就已發現弱相互作用裡的一種破缺對稱性（即破缺手徵對稱性）。所謂對稱性自發破缺理論，通俗地說，它認為一些不同的現象或規律可追溯到同一源頭，最初有著共同的對稱性，後來由於種種原因對稱性被自發地破壞，這樣我們就可以從對稱性來研究它們的共性，從對稱性自發破缺機制來研究它們的特殊性。

1965年起溫伯格也開始了關於對稱性自發破缺理論的研究，並漸漸意識到這將是通向相互作用統一理論的道路。1967年秋，溫伯格終於確定弱相互作用和電磁相互作用可根據嚴格的、但自發破缺的規範對稱性的思想進行統一的表達。他的理論結果發表在這一年的《物理評論快報》上，題目是“一個輕子的模型”。

這是科學上第一個成功的相互作用統一理論。理論中所預言的中間玻色子W和Z，在1983年被歐洲核子研究中心找到。弱電統一理論的成功，肯定了相互作用統一思想的正確性，促使許多科學家進一步去研究把強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用統一在一起的大統一理論，以及把引力相互作用也統一進去的巨統一理論。

到了70年代中期，人們進一步提出強、弱、電磁三種作用統一的大統一理論。大統一理論的結論之一是預言質子要衰變，這與實驗結果有矛盾。

那麼是怎麼發展的呢？按美國物理學家史蒂文·溫伯格的說法，在五六十年代粒子物理學產生了三個“出色的想法”：

1、蓋爾曼的夸克模型。

2、1954年楊振寧和羅伯特·米爾斯將規範對稱性推廣至非阿貝爾群（楊-米爾斯理論）來解釋強相互作用和弱相互作用。

3、自發對稱性破缺（希格斯機制）。

二十世紀六十年代，人們對這些發展之間的聯絡有了更深刻的理解，謝爾登·格拉肖開始了將電磁理論和弱相互作用理論統一起來的嘗試。1967年，溫伯格和巴基斯坦物理學家阿卜杜勒·薩拉姆試圖在楊-米爾斯理論的基礎上將規範場論應用到強相互作用，但仍然遇到了楊-米爾斯理論無法解釋粒子的靜止品質在規範理論中為零及不可重整化等問題。

後來溫伯格在反思中發現可以將規範場論應用到格拉肖的電弱理論中，因為在那裡可以引入自發對稱性破缺的希格斯機制，希格斯機制能夠為所有的基本粒子賦予非零靜止品質。結果證明這一理論非常之成功，它不僅能夠給出規範玻色子的品質，還能給出電子及其他輕子的品質。特別地，電弱理論還預言了一種可觀測的實標量粒子——希格斯玻色子。這個在2013年被發現了。

電弱理論的成功重新喚起了人們對規範場論的研究興趣，1973年，美國物理學家戴維·格婁斯和他的學生弗朗克·韋爾切克，以及美國物理學家休·波利策發現了非阿貝爾規範場中的漸近自由性質。而他們也給出了對於觀察不到靜止品質為零的膠子的解釋：膠子如同夸克一樣，由於色荷的存在而受到色禁閉的約束從而無法獨立存在。在統合了電弱理論和量子色動力學的基礎上，粒子物理學建立了一個能夠描述除引力以外的三種基本相互作用及所有基本粒子（夸克、輕子、規範玻色子、希格斯玻色子）的規範理論——標準模型。就是上面提到的SU(3) × SU(2) × U(1)的規範場論。至此強力，弱力，電磁力就聯絡起來了。但引力還是沒有納入到標準模型中。

大家看一下下面這個圖，然後我通俗的來解釋一下。當然我的水平有限，希望大家多補充。而且我建議大家去看看我在《見微知著》中第四章《量子力學發展史》，把整個量子力學的發展脈絡過一遍，你會有更深的印象。而且你去看了之後，你會發現，玩物理真的不是一件簡單的事情。所以我一直說我自己，是葉公好龍。真正的用數學語言，去挖掘量子物理世界的能力，我是沒有的。我一直是承認這一點的。

不過對於後來者，你通過這些你就可以知道，自己需要具備哪些能力，才能試著去完成這個理論。大概是這麼三塊。

1、初中到大學的高數要懂。

2、初中到大學的高等物理要懂，這塊包括的內容很多的，稍有遺漏，可能連線不上。

3、還是學一下系統的哲學，提高哲理思維，培養你的思維方向能力或者說思維敏感度。這樣的話，你會知道，哪些想法是比較可靠的，哪些想法是虛的。比如說弦理論和M理論被譽為是極可能成為大統一理論的候選者。但我卻認為很難的，其中最重要的一點，就是該理論都是高維度空間理論。而高維度空間理論難以想象，不可想象的哲學導向就是該理論過於虛擬。難以在現實世界發揮作用。也就是說不具有嚴格的邏輯導向。高維度理論或可以解釋很多現象，但會帶來更多的問題。我們會得不償失。所以我倒提示，該理論的空間維度描述，應該回到與標準模型一致。

大家看看下面的這個圖，可以一目了然的了解大統一理論的方向。

電學和磁學統一為 U(1)理論；電磁學和弱相互作用統一為弱電理論，即 SU(2) × U(1)。而強相互作用和弱電相互作用統一為標準模型理論。在它旁邊，就是孤零零的引力了。如何將引力和標準模型統一，就是現在大統一理論發展的瓶頸了。而正是這個瓶頸不好破，才有人提出走另一條路，從而誕生了弦理論，M理論，F理論等等。

再看看下面的簡單例舉：

1、四種基本力

電磁力 = Electromagnetism；萬有引力 = Gravitation；

強作用力 = Strong Interaction,Strong Nuclear Force；

弱作用力 = Weak Interaction.

2、力的統一：

電場力 + 磁場力 = 電磁力

電磁力 + 弱作用力 = 弱電相互作用

弱電相互作用 + 強相互作用 = 標準模型規範場論

規範場論 + 萬有引力 = 萬有理論

3、力的作用距離：

電磁力 ≈ 無窮遠；萬有引力 ≈ 無窮遠；

強作用力 ≈ 10^(-15)米；弱作用力 ≈ 10^(-18)米.

4、力與作用距離的關係：

電磁力 ∝ 1/r²；萬有引力 ∝ 1/r²；

強作用力 ∝ 1/r^7；弱作用力 ∝ 1/r^(5~7).

5、作用媒介：

電磁力 ：光子(已經發現)；萬有引力 ：萬有引力子(尚未發現)；

強作用力 ：膠子(已經發現)；

弱作用力 ：W 及 Z 玻色子(W±,Z0)(已經發現)。

6、力的強度：

電磁力 ：1036； 萬有引力 ：1；

強作用力 ：1038； 弱作用力 ：1025。

7、理論現狀：

電磁力 ：非常成熟。 萬有引力 ：非常成熟；

強作用力 ：不太成熟；弱作用力 ：不太成熟；

弱電相互作用：不成熟；大統一場論：很不成熟；

萬有理論：很不成熟。

這個時候，就有一個很明顯的問題，那就是為什麼引力不能納入到標準模型的規範場論中。你怎麼回答這個問題？

引力不能納入標準模型最重要的原因是引力量子化的實施會帶來一些非物理的結果。具體你可以從以下幾個方面理解。

1、如果我們承認不存在無理由的作用，那麼引力子理論就是可以想象的。可是引力子沒有被發現。倘若被發現了，那麼是不是就非常好了。通過引力子理論，就可以納入到標準模型了。而不需要“引力量子化”這種操作了。

2、第二點是我們以為引力理論非常成熟了，但其實還不成熟。牛頓引力理論是正確的，愛因斯坦理論也是正確的，我們通常說，他們適用於不同的範圍。這種說法是沒有錯的，但為什麼兩種引力理論差別如此之大。牛頓引力理論可以看做是近似“線性的”，而愛因斯坦引力理論是“非線性的”，要得一個解都非常困難。更別說通過愛因斯坦場方程去計算某兩個物體之間的引力。包括現在發射火箭啊，人造飛船等等，都是用牛頓引力理論來計算數值的。

由此值得去細細思考的東西特別多。比如說庫倫定律和牛頓引力定律如此相似，是偶然嗎？在比如說慣性定律和楞次定律，又如此相似，是偶然嗎？然後引力品質和慣性品質相等，是偶然嗎？肯定不是偶然啊。但我們現在沒有完全弄懂這些關係之間的祕密。那麼談何去將引力納入到規範場論中。

不是說量子力學和引力完全沒有關係，搭不上邊，肯定是能搭上的。任何物體，粒子都必須受到引力的影響。你比如說狄拉克方程其實就具有相對論性。

我們知道了量子電動力學起源於1927年保羅·狄拉克將量子理論應用於電磁場量子化的研究工作。他將電荷和電磁場的相互作用處理為引起能級躍遷的微擾，能級躍遷造成了發射光子數量的變化，但總體上系統滿足能量和動量守恆。

狄拉克成功地從第一性原理匯出了愛因斯坦係數的形式，並證明了光子的玻色-愛因斯坦統計是電磁場量子化的自然結果。現在人們發現，能夠精確描述這類過程是量子電動力學最重要的應用之一。

另一方面，狄拉克所發展的相對論量子力學是量子電動力學的前奏，狄拉克方程作為狹義相對論框架下量子力學的基本方程，所描述的電子等費米子的旋量場的正則量子化是由匈牙利-美國物理學家尤金·維格納和約爾當完成的。狄拉克方程所預言的粒子的產生和湮沒過程能用正則量子化的語言重新加以描述。

而廣義相對論作為引力理論，是建立在狹義相對論之上的，所以引力理論無論從巨集觀還是微觀上來講，都無法從標準模型中踢出去。也就是說引力納入標準的模型的路是存在的，是我們沒有發現這個聯絡。

3、引力不能納入到標準模型中，對於初學者來說有兩層意思。是牛頓引力理論不能納入標準模型？還是廣義相對論不能納入標準模型？當然是後者，我們在各種報道中，並沒有看到說要講牛頓引力納入到標準模型中去。原因是什麼？很明顯是因為牛頓理論的時空是絕對的，靜止的。這樣的理論談不上，波動性，重整化，量子化等“量子”性詞彙，那麼如何納入呢？顯然就陷入了尷尬之地。

可後者就不尷尬嗎？當然也尷尬，就是引力量子化困難重重。最大的問題是廣義相對論的理論時空背景是彎曲的，認為時空彎曲產生引力。這其實是一個難以想象的現象，但現在被廣為接受。我在本書中，就此說過，不贊同這個解讀。我更傾向於時空產生引力，是一種時空性質。那麼引力量子化就可以不考慮背景彎曲問題。

就是說側重點，在於了解時空性質，能量互動方面來了解引力，完成引力與量子力學的融合。

我是從引力品質和慣性品質嚴格相等，來開始推理的。即我說引力是慣性的源泉。基於此，展開一系列推理。認為時間，空間，物質是一體的。品質的定義和時間的定義都需要相對論性的定義。如此說，我並不是在推翻或者駁斥愛因斯坦理論，恰恰是對他理論的支援和推廣。因為我是相信相對論的正確性的。它經受住了嚴格實驗，我沒有理由去反對它。而且我對於相對論的四個成立條件，都是滿意的。現在沒有哪個實驗可以證明說光速不是上限，或者等效原理不成立。沒有這樣的實驗。那麼我們為什麼不相信相對論呢。

相信它，和如何解讀它，是不一樣的。所以我認為在理解相對論方面，我們可能理解錯了，甚至說創立理論的人，也並沒有徹底理解他所創立的理論。

愛因斯坦以天才般的能力和想象創立了廣義相對論，但該理論得出一個解非常難。我介紹過幾個解。我們對於一個引力理論的理解都這麼生澀，也是該理論無法和標準模型理論融合的一個原因。

那麼另一個問題，就是出來了，如何才能將引力納入到標準模型之中。問題的答案，其實就在問題當中。上面這些問題無法解決，可能大統一理論的到來，還很遙遠。

但我們可以想想目前的方向和工具。方向呢？主要從量子化和波動互動來著手。有力的工具，就是希格斯場，希格斯粒子，楊米爾斯場和方程，對稱破缺理論，真空理論，混沌理論。因為希格斯場是能量轉換為具體品質粒子的平臺。而這個與引力和其他三種力都密切相關，可以說是重中之重。

因為在科學家看來，希格斯場與物理學中其它場之間存在顯著不同。其它場都存在強度的變化，並且在其最低能級時強度降為零。但希格斯場並非如此。即便你將空間徹底清空，你永遠無法清除希格斯場，它無法被關閉，它永遠鬼魅般的存在著。但我們不會注意到它，它就像空氣對於我們，水對於魚兒們一樣自然。但是離開了它我們卻將不復存在，因為正是藉助於與這一場之間的相互作用，粒子才獲得了品質。正是這一過程讓原子和分子的形成成為可能。如果希格斯場突然消失，所有物質都將瞬間崩潰解體，因為在這一瞬間沒有品質的電子將會以光速從原子中逃逸。

我相信你看完之後，就明白了，看似繁榮的物理學，還是籠罩中迷霧之中。天空上何止兩朵雲，有太多的烏雲了。所以問題不會有最後一個。但我還是相信，大統一理論是存在的，也能夠被建立起來和完善起來。甚至在我有生之年，我可以看到的。就像我看到了美國“洞察號”探測器登陸火星，而且這是人類的第八次壯舉。我們一定會走的越來越遠。

但無論我們走到哪裡，都要銘記自己從哪裡來。永不迷失自己，是我們能夠走的更遠的前提。

我一直在強調，與其說我寫了這兩本科普書籍，不如說這些是哲理書籍。可以帶你思考和想象諸多無窮奇妙的東西。

2018年11月28日最新補增。

摘自獨立學者，科普作家，藝術家靈遁者書籍《變化》