大统一理论（Grand Unified Theory, GUT）一般指统一包含电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用的理论。我这里的大统一想表达的是万物理论(Theory of Everything, TOE)，也就是包含所有基本相互作用的理论。TOE又称终极理论，统一场论。到达终极理论的过程叫做大统一比较贴切。万物理论、终极理论都不太好听。统一场论又容易误解为爱因斯坦的统一场论，虽然的确是爱因斯坦思路的延续。

人们一般相信，TOE应该是一个量子理论。主要是因为量子力学和量子场论在解释微观粒子行为和基本相互作用方面取得的巨大成功。由于这些理论能够非常精确地描述诸如粒子相互作用、原子分子、固体，以及纠缠和不确定性等奇怪的现象，因此自然让人觉得，任何终极理论都应该融入量子力学的基本原理，能够描述所有基本相互作用，包括引力。为了将量子力学与在大尺度上描述引力的广义相对论结合，人们已经找到一些候选理论，如超弦理论和圈量子引力。它们希望统一量子与引力，并证明宇宙的根本结构可能本质上是量子化的。

我在对量子力学的诠释中发现，至少在原子核、原子分子、以及更大的尺度上，所有的量子现象并不是本原的，而是更基本相互作用的特定条件下的表现。确切地说，是波动在限制条件下的表现。那么自然地，在更小的尺度上，也就是基本粒子层面，是不是所有的基本粒子也是更基本物理过程的表现呢？毕竟，基本粒子的数量，还是有点多。而且它们很多还可以互相转化。所以，也许存在更基本的相互作用，通过某种机制生成我们看到的基本粒子，或者还有部分相互作用。就像表面张力，摩擦力，都来自电磁相互作用一样。

量子与基本粒子

我们以前讨论过，量子没有明确定义，但一般指某种量的最小单位。标准模型中的基本粒子都可以当成量子。标准模型以量子场论为基础，而量子场是由量子组成的场。每一种基本粒子对应一个特定的量子场。

从经典物理“场”的定义来说，量子场的概念是不好理解的。从经典物理的角度来看，场通常被理解为空间中连续分布的物理量，比如电场和磁场，每个空间点都有确定的数值；而在量子场论中，场的概念则完全不同，它不再是一个简单的函数，而是一种作用在希尔伯特空间上的算符，用来描述粒子的激发和产生的概率幅，具有内在的不确定性。换句话说，量子场并不是直接给出某个确定的物理量，而是通过激发态对应于离散粒子的概率分布。这种从确定性描述转变为基于概率和算符化的描述，是量子场理论与经典场概念的最大区别。

在全局诠释中，概率幅是能量分布，或者说波振幅的数学表达，实际上就是对应波动(位移，电磁场强度，等)的物理振幅。

在标准模型中，基本粒子的概念是数学的，抽象的。也就是说，粒子并非具体的、可直接观察的物质实体，而是量子场论中的激发态，数学上通过算符、群表示和对称性等抽象工具来刻画。通过这种方法，粒子的属性如质量、电荷、自旋等都被严格地嵌入到理论结构中，从而可以用精确的数学描述粒子的行为和相互作用。

其实，标准模型，和其它理论，都没有回答基本粒子究竟是什么的问题。量子场论继承了量子力学的波粒二象性描述，认为基本粒子就是一个点，但是有分布概率。弦论是真的有根弦，圈量子理论也真的有圈。这些都是额外的假定。

全局诠释中，量子现象都是真实的，物理的。因此，基本粒子也应该可以用物理的，真实可观察的方式描述。换句话说，应该更符合我们的直觉，更“经典”。

既然量子化，本征态，都是基本相互作用在特定条件下生成的，那么为什么量子化的基本粒子本身，为什么不可以是更基本的物理过程产生的呢？

微观时空动力学(Microscopic space-time dynamics)

什么是更基本的物理实体，或者过程？我们有时空，有电磁场，也许还有更多。

时空处处不一样，而且存在变化，这是已经被广泛认可的物理事实。我们一般的研究领域是大尺度下时空的性质，比如黑洞，引力波，GPS相对论修正等。但是，在微观尺度，时空应该拥有同样的属性，那么，跟电动力学，流体力学，色动力学类似，我们是不是也应该考虑时空动力学呢？

在微观尺度，也就是量子场论中，狭义相对论已经考虑了，表现为协变的四维时空框架，但是时空本身是平直的，也就是没有考虑广义相对论。

在粒子物理考虑的微观尺度，由质量引起的时空弯曲非常小，可以忽略。但是，我们后面还要详述，微观尺度下总是涉及极大的速度、振荡、或旋转，那么必然出现巨大的加速度。根据广义相对论，加速度将产生时间延迟，体系的外观性质就会有很大的变化。或者说，即使在微观层次，我们也不应该忽略广义相对论效应，仍然应该考虑一个动态的时空，或者说，需要处理时空动力学。

虽然上面的想法是在理解量子力学之后才有的，但是类似的思路很早就有前辈们探索过了。

统一场论(Unified Field Theory, 爱因斯坦)

从上世纪20年代开始，一直到晚年，爱因斯坦都在努力探索，如何将引力和电磁相互作用统一到一个几何框架之中。这就是他的统一场论。他思考的出发点是经典的，但是后来一直没有得到一套能说明问题的理论和数学公式体系。在那段时间里，人们惊叹量子力学的成功，而爱因斯坦的统一场论难以包括量子力学讨论的内容，和那些令人惊奇的量子性质，因而很快淡出人们视线。

很多人认为，尽管爱因斯坦的统一场论未能发展成一个完整的包含多种相互作用的理论，但为后来的理论发展提供了启示。例如，卡鲁扎–克莱因理论也利用高维几何的思想来尝试相互作用的统一；而后来量子场论中诸多思想，同样受到了爱因斯坦想法的影响。爱因斯坦的努力是探索万有理论最早尝试，也是对后来物理学家探寻终极理论的启示和激励。 

统一场论(时空动力学, Geometrodynamics, 惠勒)

约翰·惠勒的时空动力学是一种基于广义相对论的经典理论。他认为：所有的物理现象——包括物质和各种场——都可以通过时空的几何与拓扑来解释。在这一框架下，引力不是在时空中传递作用的力，而是时空的内在属性。更进一步，几何描述不应该只适用于引力。电磁效应，也可能是时空几何在其拓扑特性下的一种表现。 

惠勒思想中的一个关键概念是“geon”（有人翻译成“真子”）。geon 是一种假想的、能够自持的引力和/或电磁场在时空中形成的局部“能量块”，此外，再没有别的什么物质。geon的能量场足够强，能够将时空弯曲成一个封闭、自持的几何结构，从而实现“没有物质的物质” (mass without mass)，即给出了质量的自然起源。比如，geon 可能由电磁波构成，这些电磁波被它们自身产生的引力困住，形成闭合轨道并永久循环。

惠勒希望，通过研究时空动力学和 geon 的形成机制，最终能够仅用时空的几何结构来解释基本粒子和相互作用。尽管这些思想在很大程度上仍处于理论探讨阶段，并面临诸多挑战，它们还是深刻影响了我们对几何、拓扑与宇宙基本结构之间关系的思考。 

由于广义相对论几何张量框架的复杂性，爱因斯坦和惠勒最后都没有形成成型的理论和计算结果。惠勒想象的引力自持需要的能量太高了，或者尺度太小。经典场要产生稳定的结构，比如孤立子解，非常困难。

但是，是不是他们的想法就是死路一条呢？当然，也很难下这样的结论。目前，人们相信最终的理论必然是量子的，所以寻求将引力量子化，但至今尚未成功。我们对量子力学的讨论认为，量子现象是全局限制条件下，(连续的)基本相互作用的自然结果。那么认为更基本的相互作用也是量子的，就没有根据了。爱因斯坦和惠勒等人的思考仍然是成立的，只是问题没有那么容易解决。也许最陡峭最艰难的路才是捷径，就跟我们爬山一样。

所以，爱因斯坦和惠勒的思路仍然值得一试，但是不能期望很快找到答案。我们也应该超出他们的思考。当然，他们两位的理论并没有成型，不一定很系统地考虑过所有的问题，也没有现代理论作为参考。

那么我们应该怎么着手呢？考虑到问题不可能很简单，我们应该先多找一些线索。

线索1：已有理论

其它成功理论的启示。它们为什么成功？标准模型，规范场（为什么会有规范场），弦论，量子电动力学，……

线索2：基本物理场

有哪些基本物理场（有量纲，可测量）？时空是物理场吗？电磁场？有没有其它基本物理场？强力？弱力？规范场？

线索3：自旋

除了希格斯玻色子之外，所有的基本粒子都具有非零自旋。先不考虑希格斯玻色子，因为它与规范场的特殊关系，而规范场可能不是一个基本物理场。

自旋应该是物理的，而不是量子理论中所说的“内禀的”，统计的。

微观尺度上的物理旋转，或者自旋，一定是相对论性的，包括线速度的狭义相对论效应和向心加速度的广义相对论效应。

相对论效应带来显著的时间延迟，可能表现为粒子或模式的稳定性。

物理的旋转可以是稳定的，也就是不辐射能量，像永磁体那样。

由于存在极大的加速度，考虑广义相对论的等效原理，时空应该是高度扭曲的。一个旋转的东西，只有转轴完全垂直于其运动方向，才可能达到光速，比如光子。否则，必然有某个部分会超过光速，因此整体永远也不能达到光速。也就是说，一个旋转的东西，如何有任何内部结构，是不可能以光速运动的。同理也包括振动。因此，有静质量的物质永远达不到(局域)光速有很自然的原因。

电流和磁场的变化自动产生涡旋的磁场或电场。

线索4：质量

质能关系。质量与能量的关系直接而且干净：E=mc^2

未必需要希格斯机制

任何没有静质量的“东西”都以光速运动。如果因此形成了一个局域模式，该模式是稳定的。

任何场波动拥有的能量(电磁波，引力波)都对应相等的质量。

如果存在任何局域波模式(振动-驻波，旋转-自旋)，其质量即其波的能量。

任何局域的，不扩散的波或涡旋模式，就是具有静质量的粒子。

线索5：电磁波

电磁波具有质量，动量，和自旋（角动量）

电磁波具有多种自旋模式(偏振)，但其轴都垂直于其运动方向。

光子的轨道角动量(Orbital angular momentum of photon, OAM)可能只是更高的自旋

永磁体的存在，动力学稳定，来自于电荷的旋转（自旋）。

禁戒跃迁是存在的

线索6：时空

时空具有动力学性质（引力波）具有动量，能量，和自旋（角动量）

应该像电磁波一样，具有丰富的物理内涵

力的自然来源(几何解释)

可以发生旋转吗？自旋？时空涡旋？

广义相对论的微观端，巨大的速度和加速度，很少讨论

微观尺度的时空动力学？

根据引力波计算，如果时空是一种材料，强度非常高，很小的形变就可以容纳巨大的能量，意味着可以发生很强的相互作用，或表现为很强的力。

线索7：几何动力学

一般把广义相对论当成几何理论，电磁相互作用为电动力学，两者可以融合吗？

时空几何动力学是不是可以产生涡旋，就像在流体力学中那样？

强烈的时间延迟，可以看起来很“粘乎”

线索8：尺度

实验上确定一些“基本”的基本粒子大小，比如电子，夸克，典型尺度是10^-18米以下

这种尺度下，接近光速的旋转可以导致强烈的时间延迟。

同时考虑狭义相对论和广义相对论的时间延迟更强烈。

线索9：涨落或振动

微观涨落或振动是物理的，真实的，不是随机的

从布朗运动，到分子振动，原子的电子云，原子核核子的运动，核子内夸克的运动的，都是真实的，而且随着尺度越来越小，运动越来越剧烈（与测不准原理的要求一致）

量子理论中的波函数，及其代表的随机性和统计性，来自于理论本身的统计属性，并不代表真实的微观物理过程。

线索10：湮灭与产生

物质与反物质的湮灭，或相反过程湮灭只产生光子，不留下任何静质量。比如电子与正电子湮灭。

速度突然达到光速，没有加速过程。

本来就是波的叠加？

粒子里面的“东西”本来就在以光速运动了。

捕获的(trapped)电磁波或者时空扭曲？

更多的线索：

beyond reductionism mathematical approaches (action based, Lagrangian), holistic? interactive? (between time-space and EM wave? Or some other physical entity?) are geometry and dynamics contradictive? Is there something unusual combining the two together?

How to form a bound state in a pure field?

Space-time's (equivalent) stiffness could sustain enormous centrifugal acceleration

Transforming among different particles

Automatons

Time dilation gradiance

computation or simulation extremely difficult, stiff, tau vs t

Todos：Possible fields, space-time, EM, (strong, weak?)

Find a spinning mode of a pure field

Could time dilation play a role?

Extreme energy density vs extreme acceleration

Soliton vs vortex 

Physical spinning + field (wave) structure or topology

Understanding annihilation

put GR into QFT?

光固化的实例（不一定有意义）：超固体 DOI:10.1038/nature21067

意义：大统一，万物理论，宏观微观统一，几乎没有假定（与点粒子，弦，圈，高维相比）

符合直觉，容易理解

解决质量起源，电荷起源，场起源的问题

“mass without mass, charge without charge, field without field”

同时，解决量子化和力的来源问题

“quantization without quantum, force without force”

客观实在的恢复

随机性消除，可计算，可预测，确定性恢复

所有基本物理过程的理解（量子或粒子，相互作用），只需要已知的维度和物理过程(时空，电磁过程，可能还有其它基本维度)，其它所有现象都是不同尺度基本物理过程的涌现