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{{unsolved|物理學|[[標準模型]]的三種[[基本力]]在[[能量]]足夠高的狀況能否統一？甚麼[[對稱]]能夠促使完成統一？大統一理論可否說明[[費米子]][[代 (粒子物理學)|世代]]的數目與費米子的[[質量]]？}}
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'''大統一理论'''（'''Grand Unified Theory'''，[[缩写]]'''GUT'''）是一種[[物理理论]]。物理學者希望能藉由单獨一種物理理论来合理解释[[电磁相互作用]]、[[强相互作用]]和[[弱相互作用]]导致的物理现象。大统一理论算是物理界迈向[[万有理论]]的踏脚石。請注意，大统一理论并不包括[[引力]]，试图也将引力统一的理论称為[[万有理论]]。

==歷史==
[[爱因斯坦]]在提出[[相对论]]以后，从20年代开始就致力于寻找一种统一的理论来解释当时已知的所有[[力|相互作用]]，也就是引力和[[电磁力]]，爱因斯坦[[晚年]]偏离物理界大方向自己研究大统一理论，直到他1955年逝世。在爱因斯坦的年代，[[强相互作用]]和[[弱相互作用]]的[[概念]]尚未形成，因此爱因斯坦的努力似乎过於超前。

[[电弱交互作用]]理论和[[强交互作用]]理论建立以后，由于他们都由相似的[[规范场论]]来描述，理论物理学家随即试图统一它们。[[哈沃德·乔吉]]和[[谢尔登·格拉肖]]于1974年提出了最早的'''SU(5)大统一理论'''。这是第一个统一了电弱相互作用和强相互作用的理论。值得指出的是，由于[[量子引力]]理论尚存在困难，目前一般称为“大统一理论”的理论都与引力无关。

==动机==
在[[标准模型]]中，粒子的[[超荷]]对应于U(1)群的量子数。在数学理论中，U(1)群可以有[[无限]]多个表示，与之相应，超荷可以是任意[[有理数]]。但是夸克和电子的电荷都是1/3的[[整数]][[倍数|倍]]，因此它们的超荷都是1/6的整数倍。理论物理学家猜测这是因为标准模型的<math>SU(3)\times SU(2)\times U(1)</math>其实是一个大的单群的[[子群]]。这样，相关的数学理论就会把超荷限制在1/6的整数倍的[[数值]]上。

==经典SU(5)理论==
<math>SU(5)</math>理论是第一种大统一理论。它将标准模型的<math>SU(3)\times SU(2)\times U(1)</math>嵌入在一个<math>SU(5)</math>群中。该群两个最小的不可约表示，{{math|'''5'''}}表示和{{math|'''10'''}}表示刚好能够将标准模型的一整代[[费米子]]纳入其中，<math>SU(5)</math>群的超荷算符也刚好能给出所有粒子正确的[[超荷]]，因此理论物理学家一度认为，该模型极有可能是正确的。

值得注意的是，<math>SU(5)</math>模型是反常自动相消的。另外，<math>SU(5)</math>模型并没有自动包括右手中微子，因此不能自动解释中微子质量。

==三种作用常数的统一与超对称==

一些大统一理论通常要求[[标准模型]]三种[[耦合常数]]在某个能标上跑到同一个数值上去。简单的<math>SU(5)</math>模型无法做到这一点。但是在[[超对称]]<math>SU(5)</math>模型中，三种耦合常数在能标

:<math>\Lambda_{\text{GUT}} \approx 10^{16}\,\text{GeV}</math>.

处比较精确地跑到了一点。理论物理学家相信，这不是巧合。这也是[[粒子物理学]]中引入[[超对称]]的重要动机之一。

==大统一理论的现状==
大统一理论通常会破坏重子数[[守恆]]，因此它们常常预言[[质子衰变]]。但是最简单的<math>SU(5)</math>模型已经被相关实验排除。[[超对称]]大统一理论预测了更长的质子寿命，因此相比简单的<math>SU(5)</math>模型而言稍微好一些。目前，没有任何支持关于大统一理论的[[实验]][[证据]]。

==参见==
*[[标准模型]]
*[[万有理论]]
*[[規範理論]]
*[[統一場論]]
*[[希格斯場]]

==外部連結==
*[http://www.scholarpedia.org/article/Grand_unification Scholarpedia: Grand Unification]{{Wayback|url=http://www.scholarpedia.org/article/Grand_unification |date=20121003033604 }}

{{粒子物理標準模型}}
{{Authority control}}
[[Category:大统一理论| ]]
[[Category:粒子物理学]]
[[Category:物理宇宙学]]
[[Category:超越标准模型的物理学]]