統一場理論現在發展到什麼地步了？真像《星際穿越》中所說依賴黑洞內的數據么？

12-29

如果真的如《星際穿越》所說，那麼豈不是科技被鎖死了一樣…

首先還沒看過這部電影，不知道裡面的具體內容。在說統一場場之前，有必要先說說目前粒子物理的進展，和短期內的發展。

大家知道在兩年多前ATLAS和CMS同時宣布發現一種新波色子，自旋為0，質量在125.4GeV。這就是大家傳說的「上帝粒子」，Higgs boson。然而現有的測量和標準模型的預言還存在不大不小的差異：不同Higgs的產生機制到同一個衰變道的signal strength不同，同一個Higgs產生機制到不同衰變道的signal strength也不同。Higgs的最新結果都在這裡 https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/HiggsPublicResults

然後Higgs的出現也引出了一個很嚴重的問題，Higgs是我們自然界唯一的一個自旋為0的基本粒子(標準模型還有其它自旋為0的粒子，但不是基本粒子，是複合態，比如pion，是u d 夸克的複合態)，Higgs會接受來自其它基本粒子(自旋為1/2的fermion)的真空修正(loop corrections)，就會導致Higgs的質量是二次發散，這樣Higgs質量就可以任意高（比如說10^19 GeV），而你看到Higgs質量的實驗值是125GeV左右。這是非常悖論的，如何解決這個問題呢？一個非常優美的方案就是引入一種新的對稱性，叫超對稱(Supersymmetry)。這樣新引入的粒子和標準模型的粒子一一對應，就可以把Higgs的質量發散給cancel掉。

OK，現在新問題變成了找新模型中的粒子(當然還有其它模型中的粒子)，也就是超對稱粒子，其中一篇文章闡述了這個問題(http://arxiv.org/pdf/1411.1061v1.pdf)。壞消息是：目前還沒有任何新粒子的跡象。明年春天LHC就升級完成，屆時質心系能量應該是13 TeV，希望在這個機器上能有所斬獲吧。

介紹完最新的實驗進展，可以回到統一場問題了。目前自然界最基本的四種相互作用：弱相互作用（原子核衰變，太陽核發熱等等），電磁相互作用（任何可見光，你能看到的東西等等），強相互作用（夸克組成原子核），萬有引力（相互吸引），前面三種標準模型已經解釋得非常好了。對於萬有引力（在微觀領域太小，和另外三種力比起來），如何能和其它三種力和諧共處開創美好呢？一大群物理學家致力於這個理論，就是把能量提高到（10^19 GeV），這樣萬有引力就和另外三種力就已經大小相當了，這方面的研究以String theory為主。然而我們剛剛提到了現有的實驗能量在13 TeV = 1.3 * 10^4 GeV，這個能量還遠遠不能探測到統一場所需要的最小能量。統一場只是一個美好的嚮往，呵呵。在這方面，理論遠遠走在實驗的前列。

至於黑洞，涉獵不是很多。黑洞就是廣義相對論最直接的一個推論了。去解場方程，就能出現一個這樣的物理實體，最簡單的例子就是Schwarzschild solution。統一場就是把萬有引力和其它三種力統一成一個理論，而黑洞是萬有引力的直接產物。所以黑洞的發現肯定是會對統一場一個非常非常大的促進。但是題主說的黑洞內部，這個是探測不到的。黑洞都有個視界(event horizon)，在視界之內，就各種穿越劇宮廷古裝劇上演了，就是各個年代隨機播放，有沒有很酷炫！！！視界內部的光是沒法逃逸的，所以不可能探測到黑洞內部數據。而且統一場理論不需要黑洞數據，統一場是一個self-consistent的理論，只是能發現黑洞會有一個正面促進。問題來了：尋找黑洞，哪個學校強？

要驗證標準模型以上的理論，需要能夠探測量子力學和引力結合的現象。有兩個辦法，

一個是觀察自然界中存在的現象。黑洞是一個，所以現在很熱，希望能夠得到支持理論的現象。

另一個就是人工創造現象。這就是歐洲核子中心在做的事情。不過要達到量子引力的程度，一般認為，我有生之年，是看不到了。

這是電影里為了增強故事性加強戲劇效果而設定的，與真實的物理研究相反。物理學無法研究黑洞內部結構，因為無法了解黑洞內部，也不需要依靠黑洞內部的信息來研究」統一場」