什么叫规范场论?什么叫统一场论?大统一理论?

Question

什么叫规范场论?什么叫统一场论?大统一理论?

Answer 1

规范场论 (Gauge Theory) 是基于对称变换可以局部也可以全局地施行这一思想的一类物理理论.非交换对称群的规范场论有时也称为杨-米尔斯理论.物理系统往往用在某种变换下不变的拉格朗日量表述,当变换在每一时空点同时施行,它们有全局对称性.规范场论推广了这一思想,它要求拉格朗日量必须也有局部对称性—应该可以在时空的特定区域施行这些对称变换而不影响到另外一个区域.这个要求是广义相对论的等价原理的一个推广.
规范“对称性”反映了系统表述的一个冗余性.
规范场论在物理学上的重要性,在于其成功为量子电动力学、弱相互作用和强相互作用提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型.这套理论精确地表述了自然界的三种基本力的实验预测,它是一个规范群为SU(3) × SU(2) × U(1)的规范场论.像弦论这样的现代理论,以及广义相对论的一些表述,都是某种意义上的规范场论.
大统一理论（grand unified theories,GUTs）.试图用同一组方程式描述全部粒子和力(强相互作用、弱相互作用、万有引力、电磁相互作用四种人类目前所知的所有的力)的物理性质的理论或模型的总称.这样一种尚未找到的理论有时也称为万物之理,或TOE.
这并非完全荒唐可笑的梦想,因为在统一物理学家对物质世界的描述方面已经取得了相当成就.就在19世纪中叶,电和磁还被看成是两种独立的事物,但麦克斯韦研究证明它们实际上是现在叫做电磁现象的同一种基本相互作用的两个方面,可以用同一组方程式加以描述.到20世纪中叶前,这一描述又改进到包括了量子力学效应,并以量子电动力学(QED)形式成为物理学家提出过的最成功的理论之一,它以极高精度正确预言了诸如电子等带电粒子相互作用的性质.
地球上的物体不管形状、大小如何,最终总要乖乖地落到地面上,原因是什么?天空中地球围绕太阳转、月亮围着地球转,原因又是什么?科学家牛顿经过艰苦的思索和研究,找出了统一的理论——万有引力.不论是地球上的物体,还是天空中的天体,都可以用万有引力来解释它们的运动.关于热现象人们总结出热学理论,关于电磁现象人们也总结出电磁场理论,物理学的各部分内容就是总结各种不同运动形式的规律和理论.这些规律之间能不能再总结出更基本的规律,解释更广泛的内容,这一直是物理学家关心的问题.
现在,人们发现微观粒子之间仅存在四种相互作用力,它们是万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力.宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释.进一步研究四种作用力之间联系与统一,寻找能统一说明四种相互作用力的理论称为