四大基本作用力、大統一場論與終極理論

四大基本作用力 (The Four Fundamental Interactions)、大統一場論(GUT，Grand Unified Theory)與終極理論(TOE，Theory of Everything)
國立臺南第一高級中學物理科羅焜哲老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

自然界的四大基本作用力可分為重力、電磁力、強力與弱力。物質間一切的交互影響都是由這幾種基本交互作用所綜合而成的。

我們知道電磁交互作用與弱交互作用已經統一了，但電磁力與弱力的作用範圍、強度均差異甚大，電磁力與弱力竟然可以統一，這是怎麼一回事？電弱作用理論認為，自然界中存在 $$3$$ 個攜帶弱力的粒子，稱為 $$W^+$$、$$W^-$$ 和 $$Z^0$$，在高能量狀態下，這 $$3$$ 種粒子的行為與光子是相似的。一種稱為自發對稱破缺的性質，使得在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實上只是同一類型粒子的不同狀態。

以史帝芬．霍金在暢銷書時間簡史中所舉的例子作說明：賭場盤輪上的球，在高能量下（當這輪子轉得很快時） ，球的行為只有一個方式，即不斷地滾動看。但是當輪子慢下來，球的能量減少下來，最終球就陷到輪子上的 $$37$$ 個槽中的一個裏面去。

換言之，在低能量況下球可以存在於 $$37$$ 個不同的狀態。如果由於某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會認為存在 $$37$$ 種不同類型的球！

電弱作用理論預測當能量甚大時，這三種粒子和光子的行為方式很相似。但是，大部份正常情況下能量較低，粒子之間的對稱就被破壞了。$$W^+$$、$$W^-$$ 和 $$Z^0$$ 得到了非常大的質量，使之攜帶的力變成非常短程。

電弱理論運作的非常成功，在低能量下這個理論的其他預言和實驗符合得非常好，以至於 1979 年的諾貝爾物理獎頒給提出電弱理論的三位物理學家  謝爾登·李·格拉肖（Sheldon Lee Glashow），阿卜杜勒·薩拉姆（ Abdus Salam ）與史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）。$$4$$ 年後（1983 年）這三個粒子終於被 CERN 找到，計畫主持人 Carlo Rubbia 與 Simon van der Meer 因此獲頒 1984 年的諾貝爾物理獎。

現在的宇宙（大霹靂後 $$137$$ 億年後）能量處於非常低的狀態，呈現各式各樣的粒子以四種基本作用力。有科學家認為強交互作用應該也可以和電弱交互作用統一，稱為「大統一場論（GUT, grand unified theory）」，再把重力也統一的理論稱為「終極理論」，（TOE,  Theory of everything）。

「大統一場論」尚未成功，離「終極理論」當然還更遙遠，物理學中仍有許多未知等待發現。

參考資料
1. 史蒂芬．霍金原著，吳忠超、許明賢合譯（2000），時間簡史，藝文印書館印行，第67頁
2. 維基百科–終極理論  http://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_everything
3. 維基百科–大統一場論  http://en.wikipedia.org/wiki/Grand_Unified_Theory