就在宇宙大爆炸之后，宇宙间只有一种初始的基本力。随着宇宙逐渐的冷却，初始基本力开始分离成了两种，接着变成三种，最后演变成今天已知的四种基本力：
引力
（作用在拥有质量的物体之间）
、
弱核力
（支配了粒子的衰变）
、
电磁力
（作用在带电粒子间）
和
强核力
（将夸克束缚在一起）
。物理学家一直梦想着能够发展出一个
万有理论
将这四种基本力统一起来。
○
四种基本力。（关于四种基本力的强弱可戳：
《一场基本力之间的较量》
）
事实上，科学家已经在大约100GeV的高能量之下，利用粒子对撞机实验使电磁力和弱核力统一成“
电弱力
”。这样的实验模拟了宇宙大爆炸后的兆亿分之一秒
（
10
-12
秒）
的环境。
但问题是，在宇宙大爆炸后的
10
-36
秒发生了什么？理论上，电弱力能够跟强核力统一在一起。这样的一个大统一梦想起始于1974年，Sheldon Glashow 和 Howard Georgi 发现数学的对称群SU(3)、SU(2)和U(1)——它们分别对应于强核力、弱核力和电磁力，加在一起共同构成了粒子物理学的标准模型——可以被纳入一个单一的更大的对称群：
SU(5)
，并将所有已知的粒子都囊括在内。
○
在宇宙早期的高能之下，四种基本力都可以被统一在一起。| 图片来源：symmetry magazine
在SU(5)中，所有的粒子都可以被看做是五边形和十边形的数学结构来表示。举五边形为例，它的每条边要么表示一个夸克，要么表示一个轻子
（夸克和轻子都是基本粒子）
。
但
在数学上，五边形的每一边都是相同的，在这个模型中我们无法区分夸克和轻子。只有当宇宙冷却时，这样的对称性才会被打破，从而这个比喻性的五边形就会变成碎片，每个碎片则代表一个夸克或一个轻子。
SU(5)的一个副作用是，它预言了夸克和轻子之间的一个额外相互作用。这就意味着当构成质子的三个夸克之一会自发变成一个轻子时，质子发生了衰变。
○
质子衰变是大统一理论的一个重要预言。| 图片来源：symmetry magazine
质子可以衰变
，是大统一理论一个非常重要的预言。但唯一的问题是，目前实验还没有观测到任何质子衰变的迹象。例如日本的超级神冈探测器一直致力于监测衰变质子释放出的辐射，但没有观测到任何衰变的证据。他们的最新研究成果将质子寿命的下限提高到1.6×
10
-34
年
[1]
，这比SU(5)预测的要高出几个数量级。
○
大统一理论认为，一种单一的初始基本力分离出了今天支配基本粒子的强核力、弱核力和电磁力。如果这是正确的，那么当这种大统一力重现时，质子应该会发生衰变。图中我们可以看到质子的衰变途径：1代表由三个夸克组成的质子，其中的一个夸克会转变为一个对应的轻子，并释放出锥形的切伦科夫辐射，另外两个夸克会短暂的组成一个不稳定的介子，接着会立刻衰变成两道伽玛射线，并各自释放出锥形辐射。大统一理论有许多不同的模型，超级神冈探测器的结果排除一些理论（红色横条），还有一些模型依旧可能是对的（绿色横条）。| 图片来源：quanta magazine
SU(5)模型已经尽可能的简单，但研究人员发现一系列可以让现有粒子嵌入其中的对称群，它们的额外特征和变量允许质子的寿命得以延长，从而超过之前实验给出的结果。其中一些模型增加了一个额外的对称性，被称为“
超对称
”，这使粒子的数量瞬间翻了一倍。但问题是，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机并没有找到任何超对称的证据。
（关于超对称理论的详情可阅读
《超对称理论的崛起和衰落》
）
虽然目前我们并没有观测到质子的衰变，也没有发现超对称理论预言的新粒子，但有许多人仍坚信大统一理论是正确的。正如著名的粒子物理学家John Ellis就说道：“大统一理论在哲学意义上的动机依然存在，且一如既往的重要。我仍然爱着超对称理论，我也同时迷恋着大统一理论。” 那些坚信大统一理论的科学家认为，质子的寿命也许刚刚或远远超过当前探测器的能力。因此，他们只能把希望寄托于比现有更大的探测器上，比如日本的Hyper-K实验和美国的
DUNE实验
。当然，还有一些人对大统一理论已经完全失去了兴趣，比如最先提出大统一理论的Glashow。
○
大统一理论的发展：标准模型的粒子和基本力可以被嵌入越来越大的对称群中，这对应的就是越来越复杂的大统一理论。上图表示了一些大统一理论的二维投影。我们可以看到，粒子依据自己的电荷沿着灰色轴线排布。载力粒子（即玻色子）表示为圆形和正方形，构成物质的粒子（即费米子）则用其它多边形表示。| 图片来源：Elementary Particle Explorer, Garrett Lisi, Troy Gardner, 和 Greg Little
