共同理论的开展前史
物理学的第一次共同（天和地的共同）
根据伽利略相对性原理和惯性系的假定，牛顿提出了三个运动规则来描绘质点的运动规则。结合万有引力，牛顿规则能够描绘国际中天体的运动，把地上的运动和天体的运动用数学的办法联络了起来，这也是物理学真实含义上的第一次共同。牛顿规则是经典物理学的根底，能够成功的描绘微观、低速的质点运动问题。尔后，人们也测验用牛顿规则把“热、光、化学”等现象描绘为流体粒子间的瞬时彼此效果。
物理学的第2次共同（电、磁、光的共同）
在经典物理的开展进程中，人们逐渐知道了电效果、磁效果以及满意平方反比规则的静电力和磁力的相似性。奥斯特试验以及电磁感应规则发现后，法拉利以惊人的直觉引进了“电力线”和“磁力线”的概念，扔掉了瞬时“超距”效果的观念；而根据“库伦规则”、“毕奥-萨伐尔律”和“法拉第电磁感应规则”，麦克斯韦提出了电场和磁场的共同数学描绘，预言了电磁波的存在，提出光是一种电磁波。这是初次把看起来体现天壤之别的“电、磁、光”现象共同起来，被称为继牛顿以来物理学的第2次大共同。为了使电磁场和牛顿规则相容，麦克斯韦提出电磁波能够用经典力学来解说，只需假定“光以太”的存在，而电磁波经过以太的崎岖振动来传达。20世纪初期的一系列试验，如迈克尔逊-莫雷试验等，发现了“以太”假定的困难，迫使人们扔掉以太假定。
时刻、空间和物质的共同
1905年爱因斯坦树立了狭义相对论，彻底扔掉了“以太”假定；到1915年，根据其曾经发现的等效原理和广义协变性原理，爱因斯坦成功树立了广义相对论的引力场方程，把描绘时空几许结构的爱因斯坦张量和描绘物质的能动量张量联络起来。狭义相对论根据相对性原理和光速不变原理，把时刻和空间共同成平直的四维时空；而在广义相对论中，时空不再是平直的，自身变成了动力学变量，因为物质而发作曲折。一个浅显的说法是，在广义相对论中“物质通知时空怎样曲折，曲折的时空通知物质怎样运动”。
引力和电磁共同的测验
在广义相对论树立今后，卡鲁扎（Kaluza）把广义相对论从四维推行到五维，五维度规张量中的十个重量是描绘四维时空的度规，四个重量描绘电磁场，一个重量描绘暴升（dilaton）；而五维场方程能够约化为四维场方程、麦克斯韦方程和克莱因-高登方程。克莱因（Klein）提出了时空紧致的观念，以为第五个时空维度是卷起来的标准很小的圆。卡鲁扎-克莱因理论是第一种把引力和电磁彼此效果共同起来的结构，能够解说电荷量子化。但开始的卡鲁扎-克莱因理论遇到了一系列困难，如理论预言的电子质量和电荷的比值和试验严峻不符以及额定维的安稳性等问题。处理这些困难的测验也推动了理论的开展。爱因斯坦晚年就是沿着这种思路共同引力和电磁彼此效果，但没有取得成功。改善的卡鲁扎-克莱因理论，如测验在十一维共同标准模型标准对称性的理论，遇到了手征费米子、额定维的安稳性等困难，但卡鲁扎-克莱因的思维仍是现代共同场论的重要根底之一。
共同场论的根底（标准对称性）
现代物理学的根底是对称性。闻名的女数学家诺特（Noether）证明了对称性和守恒律的对应联络，如能动量守恒对应时空平移不变性；角动量守恒对应滚动不变性。数学上人们用不同的群来描写对称性。外尔（Weyl）和泡利等人首要知道到电磁场和U(1)局域对称性的联络。根据外尔的局域标度（“标准”的原始含义）改换思维及电荷守恒与U(1)标准的联络，杨振宁和米尔斯提出了同位旋守恒和根据局域SU(2)对称性的标准场论。标准场论的思维是共同场论的根底，广义相对论也能够看做是一种标准理论。标准场论提出后遇到了标准玻色子质量、量子化和重整化等方面的困难，直到希格斯机制和特霍夫特关于标准场重整化方面的开展后，标准场论才趋于完善。
核力的共同描绘（强彼此效果）
强彼此效果描绘了核子之间的强核力，是天然界现已发现的四种根本彼此效果之一。强彼此效果在几个费米（fm）的标准上能够描绘把核子束缚成原子核的力；在更小的标准上能够描绘把夸克束缚成强子的效果。量子色动力学（QCD）是描绘强彼此效果的理论，根据的标准对称性，经过交流无质量的胶子在带“色”的夸克和胶子之间传递彼此效果。QCD有“渐近自在”和“色禁锢”等根本性质，在各种试验中得到了广泛查验。核子间的强核力能够看做是夸克间“色力”相似范德瓦尔斯力那样的残留效应。
电磁效果和弱效果的共同
弱彼此效果也是四种根本彼此效果之一，描绘了原子核的衰变等现象。弱彼此效果经过四费米彼此效果描绘，分为带电流和中性流进程。在弱彼此效果中宇称能够不守恒，所以弱效果理论是一种手征理论，彼此效果区别左右手。弱彼此效果和电磁彼此效果强度不同几千倍，看起来很不相同，但数学描绘中有某些相似性。格拉肖、温伯格和萨拉姆在上世纪六十年代成功的开展了电弱共同的理论，用根据的标准理论来描绘电弱对称性；经过自发对称性破缺机制和希格斯机制，部分带电和中性标准玻色子取得质量，作为弱彼此效果的“传递粒子”；而光子依然是无质量的，来传递电磁彼此效果。弱效果和电磁效果都是电弱效果的不同体现。1983年欧洲核子中心发现了理论预言的标准玻色子；2012年欧洲核子中心发现了希格斯粒子。这些发现都验证了电弱共同理论的正确性。电弱共同理论部分共同了物理学中的根本彼此效果，是人类知道国际方面的一个重要前进，但间隔包括引力在内的共同场论仍很悠远。
强效果、电磁效果和弱效果的共同描绘（标准模型）
人们把根据标准对称性且包括三代夸克、轻子来描绘强效果和电弱效果的理论称为标准模型。在标准模型中，理论中有28个自在参数，包括3种标准耦合常数、9种带电粒子的质量、3种中微子质量、夸克部分的混合以及轻子部分的混合10个参数、强CP相位、希格斯的真空等待值和四次耦合常数。这些自在参数标准模型不能解说，需求经过试验来定出。关于寻求简略调和的物理学家们而言，很难信任标准模型是最根本的规则，而看起来更像一种对根本规则的有用理论描绘。标准模型还有其它的理论和美学上问题，如电荷量子化的来历、国际中重子不对称的本源、精密调理问题、国际中的暗物质。
夸克和轻子共同的测验（Pati-Salam模型）
在标准模型中，带色的夸克和不带色的轻子是看起来彼此独立的东西。在上国际七十年代中期，帕惕（Pati）和萨拉姆（Salam）提出，轻子能够看作是第四种“色”，这样夸克和轻子都只是同一硬币的不同方面罢了。另一方面，该理论中依然有三种耦合（假如考虑左右手对称，则只要两种耦合），所以依然没有解说标准耦合的来历。
强效果、电磁效果和弱效果的大共同
为了真实解说标准耦合的来历问题，乔治（Georgi）和格拉肖（Glashow）提出了能共同色对称性和电弱对称性的最小办法—SU(5)大共同模型。大共同理论把几种标准群共同在一个更大的标准对称性傍边，所以几种耦合在大共同标度处都有相同的值。低能下体现的不同标准对称性来自于大共同标准群在大共同能标处的破缺效应。因为U(1)群被嵌入到一个单李群中，所以大共同理论能够很天然的解说电荷的量子化；大共同理论能够对国际中重子不对称的来历给出解说，但因为国际暴升的存在，理论要求国际重加热的温度很高，所以存在必定困难。大共同理论预言了质子能够经过重的标准玻色子诱导而衰变。现在日本的超级神冈试验现已约束了质子寿数在年以上（下一代的试验将会把质子寿数的约束进步10倍以上），这就约束了SU(5)大共同能标在GeV以上。Pati-Salam的部分共同理论预言存在重的leptoquark，能够诱导介子到的衰变。介子的衰变试验约束了“轻子色”破缺的标度在GeV左右。在SU(5)大共同模型中，每一代的物质场被别离放在一个SU(5)群的和10维标明中；而在Pati-Salam模型中，每一代的左右手物质场部分别离处于一个四色的二重态中。物质场依然看起来有不同的来历。 SU(5)大共同模型和Pati-Salam的部分共同模型都能够嵌入到SO(10)大共同理论，包括其标准群部分和物质场部分。SO(10)大共同理论能够真实把物质部分都共同在一个16维旋量标明中，这样标准模型中所有的汤川耦合都来自于同一项，都有一起的本源。SO(10)大共同理论的一个特点是在16维旋量标明中归入了右手中微子。其实，能够天然给出很轻中微子质量的跷跷板模型，开始就是来自于大共同理论；另一方面，跷跷板机制中所需求的很高的右手Majorana中微子质量标度，能够和大共同能标共同。中微子部分还能够选用轻子组成机制，经过国际中的轻子不对称用sphaleron效应转化为重子不对称，很好的解说了国际中的重子物质的来历。夸克-轻子部分混合角的互补性也可能是物质部分大共同的一种反映。
现在正在开展的大共同理论
共同理论对超对称的呼唤
在开始的（非超对称）大共同理论中，严厉核算会发现，三种标准耦合并不严厉相交于一点。事实上，假如用两种较弱的标准耦合相交得到的大共同标度反推强耦合在电弱标度处的值，理论预言和试验观测值会有12个以上的误差。跟着温伯格角丈量的越来越准确和质子衰变试验的开展，非超对称SU(5)模型现已被排除去。另一方面，人们发现，当引进低能超对称理论后，标准耦合共同能够很好的完成。超对称大共同理论能够很好的结合超对称和大共同理论的长处。超对称理论是联合玻色子和费米子的一种对称性，是时空对称性的最大扩大。超对称改换能够把玻色子变成费米子，也能够把费米子变成玻色子。超对称预言每种标准模型粒子都有其相应的超对称伴子。超对称有许多美丽的性质，能够处理标准模型中的精密调理问题，能够供给暗物质候选者，也能给出适宜的重子组成机制，并且超对称理论预言希格斯场要小于135GeV，而2012年发现的希格斯质量正好处在超对称预言的小区间内。尽管现在欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)仍未发现超对称粒子，超对称依然是TeV标度新物理的最好候选者之一。在Kaluza-Klein共同场论中，KK真空的安稳性要求也倾向于超对称的存在。
强效果、电磁效果和弱效果的超对称大共同
超对称大共同理论在电弱标度能够回到超对称标准模型，能够给出低能参数间的若干联络。超对称大共同理论一般会存在量纲为五的能诱导质子衰变的有用算符，并且超对称大共同的标度比非超对称的状况要高几十倍，所以在超对称大共同理论中，重标准玻色子诱导的质子衰变对错主导的。因为主导衰变办法的不同，质子衰变的产品也和非超对称大共同的状况不同。现在的超级神冈试验现已排除去最小的超对称SU(5)大共同模型；非最小的SU(5)和SO(10)超对称大共同模型依然和试验不对立，但很快就能够被最新的试验所查验。另一方面，高维的超对称大共同理论中能够压低量纲为五的质子衰变的奉献，理论依然能够在未来的质子衰变试验下存活。
把四种彼此效果都共同进来的终极大共同理论
大共同理论能够很好的共同物质和强、弱、电磁三种彼此效果，但并没有归入引力彼此效果，这是因为引力场的量子化遇到了根本性的困难。把引力场依照一般的场量子化途径处理睬遇到不行重整的困难。究竟广义相对论是从根本上改变了时空观，其量子化应该和平直时空中的量子场论办法有实质不同。现在干流的量子引力主要有三种途径：超引力、超弦理论和圈引力。圈引力把广义相对论变成相似标准场论的理论，根本的正则变量为阿希提卡-巴贝罗联络。圈引力只触及了引力量子化，很难给出标准彼此效果和物质场以及物质场彼此效果的拉氏量，所以只可能是终极理论的一个组成部分。超对称的局域化能够得到超引力理论，包括了自旋为3/2的引力微子和自旋为2的引力子，能天然包括引力理论。超引力理论有可能不会遇到一般量子引力中的发散困难。关于四维N=8的超引力，前期人们曾预期该理论没有紫外发散；这以后人们结构出在壳的三圈抵消项，以为三圈层次上发散存在；再后来的实践核算发现，三圈层次上发散能抵消掉，发散最早要到七圈层次；最近研讨标明，理论在微扰论含义下可能是紫外有限的。尽管该理论不是实际的理论，如不能归入手征费米子场、没有破缺扩展超对称的机制等，但超引力研讨的开展标明理论的紫外特性可能比预期的好。低维的扩展超对称能够由高维的超引力理论经过维数约化得到，如11维N=1的超引力理论能够约化到4维N=8的超引力理论。11维的超引力是前期的“终极理论”候选者，也有前面所述很多理论上的困难。超引力的困难根本都能够在超弦理论中得到处理。弦理论发源于对强彼此效果的研讨。在弦理论中，根本目标都不是点状的，而是具有一维（或高维）结构、特征长度很小为厘米的弦（包括具有两个端点的开弦和没有端点的闭弦），而不同的粒子对应弦的不同振动模式。因为把彼此效果和物质都共同用弦描绘，所以弦有可能共同包括引力在内的彼此效果。量子场论中点粒子的国际线在弦理论中变成了二维国际面或许管道，这样点粒子的彼此效果顶角就变得润滑，彼此效果的时刻和地址不再是不变量而是依赖于观测者的，所以咱们能够预期理论不呈现发散。弦理论的谱预言了无迹对称张量的存在，能够描绘自旋为2的引力子，其长程行为和广义相对论共同。玻色弦自洽性要求时空的维数为26维；而为了引进费米子而包括超对称的超弦理论要求时空的维数为10维。和量子场论中拉氏量的恣意性不同，理论研讨标明只存在五种自洽的超弦理论：I、IIA、IIB和两种杂化弦理论SO(32),。而根据弦的非微扰性质的开展，Witten等人发现五种超弦理论都能够作为11维M理论的各种极限，彼此之间能够经过S,T等对偶彼此联络起来。M理论的理论结构依然没有彻底树立起来，特别是其强耦合非微扰区域的性质。标准对称性能够包括在杂化弦理论中，手征费米子也能够在超弦理论中完成。超弦理论能够将引力量子化，并且能够给出有限的成果，解说黑洞熵。理论的自洽性能天然将引力和其它效果共同起来，是终极理论的最抢手的候选者。超弦理论是一个仍在开展中的理论，依然存在一系列的理论问题，例如其办法只对应场论中粒子办法的描绘，依然缺少动摇办法的描绘等。另一方面，超弦理论的试验查验很困难，只能在国际前期留下某些头绪。量子引力方面的新开展也会进一步促进人们对“终极”理论的知道。
展望
近几百年来物理学的开展，使得人类对物质国际的根本规则现已有了比较深入的知道。尽管还有许多不尽人意的当地，现阶段的理论结构现已在必定程度上完成了爱因斯坦的共同之梦。对物质国际和运动规则共同的寻找是人类文明的标志之一。大共同理论尽管艰难曲折，但具有超高智商的人类最终会找到这个控制万物的终极真理。这正是：国际洪波淘英豪，终极共同胸臆中，路漫雾蒙苦求索，前赴后继为追梦。
