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人类追求的走向统一理论

 库恩波普尔 2018-03-04

  自古以来,人们一直在问,物质是由什么组成的,宇宙由什么构成,又是怎样起源的,生命因何而存在,我们从哪里来,又要到哪里去。在上帝粒子——希格斯粒子发现之后,标准模型逐渐得到了实验验证。尽管超对称理论等新物理的研究一直火热,但是目前尚无定论。而目前唯一未知的基本粒子就是引力子。我们知道,标准模型是由量子场论描述的,而广义相对论则是经典理论。广义相对论方程左边是时空的弯曲,右边则是物质的分布,而其真空解为引力波。2016年引力波的直接探测是对爱因斯坦的广义相对论的直接验证,也催促我们寻找引力子,研究量子引力理论,寻找统一理论。在本文中,小编并不准备全面介绍统一理论的研究,而是在某几个方面进行简单介绍。

  

  说起统一场论,我们马上会联想到爱因斯坦。这位理论物理的巨人,在普林斯顿大学的主要研究目标就是建立统一场论,他也将自己的几乎一半的生命奉献给了这个遥不可及的梦想。如今,统一理论已经成了理论物理学家的圣杯。在上世纪60年代格拉肖、温柏格、萨拉姆三位科学家提出弱电统一理论,将弱相互作用和电磁相互作用统一在一个理论框架之内。随后,强相互作用也被纳入到其中,建立了大统一理论。但是引力相互作用仍然在其外徘徊。颇具讽刺意味的是,尽管牛顿万有引力是人类最早发现的基本作用力,到现在已经300多年,但是人类对于引力的认识仍十分肤浅。到了1916年,爱因斯坦建立广义相对论,人类对于引力的认识有了非常大的进步。但是目前人类对于所生存的时空到底是弯曲的还是平坦的仍在争论中。引力如何量子化,是否应该量子化仍在讨论中。

  究竟什么时候我们能建立一个超越爱因斯坦引力理论?诺贝尔物理学奖得主乔治·斯穆特2016年写的一篇文章《GeneralRelativityandCosmology:UnsolvedQuestionsandFutureDirections》中简单总结了人们的观点,从牛顿万有引力到爱因斯坦广义相对论花了200多年的时间,爱因斯坦广义相对论到现在已经100多年了。悲观的观点认为,现在还没到正确的时候;乐观的观点则认为,是时候建立超越爱因斯坦广义相对论的理论的时候了。

  

  这其中,比较有名的是弦论。普林斯顿大学的爱德华·威腾是研究弦论的巨星,是唯一一位以物理学家身份获得菲尔兹奖的人,他在1995年提出的M理论天下闻名,能够利用对偶(Duality)将五种弦论联系起来(对偶即数学上的等价性)。对偶是目前研究的热点,例如规范理论之间的对偶等。广义来说,科学家研究对偶已经很久了,电和磁的类比研究可以看做是“远古时代”的对偶理论,当然这是同一种基本作用力的不同表示。

  “Dual”一词翻译成对偶是一个非常好的翻译,因为这个不仅是音译还是意译。如果你学过群论的话,可以用群的同态或同构关系来理解对偶。如果没学过,那就用全等三角形和相似三角形来理解对偶。也就是说,物理意义不同的系统,其物理量以及其之间的关系,可以用某种方式对应起来。由此就可以通过研究比较好研究的能够严格求解的系统,来间接研究另一个系统。

  

  20年前马尔德西纳提出了AdS-CFT对偶(引力理论与规范理论的对偶,即将AdS时空中的一个引力理论和其边界的无引力的量子场论等价起来,在AdS时空中,一切信息都包含在边界上,边界上的量子纠缠与全息理论十分类似),而近年科学家们对于全息理论的研究为这一思想注入了新的活力。惠勒曾经说过,大千来自比特(一切都是信息),引力理论与规范理论的对偶似乎就在暗示我们这句话的正确性,即信息储存在量子纠缠中。这篇论文已经被引用约800次。当然,它目前已经可以看做一个新的学科,其分支里还有ER=EPR等有趣的理论。

  2017年8月,著名理论物理学家萨斯坎德提出了一个酝酿已久的猜想,即GR=QM,也就是广义相对论=量子力学。当然他不是拍脑门一想就发布新的理论,而是早有了多年的研究。今年年初,他又用类似的文体在预印本上面发表了几篇文章,继续阐述他的疯狂的猜想。

  

  另一方面,也有科学家认为没必要寻找统一理论,例如弗里曼·戴森。他认为,将物理学分为宏观和微观两种理论是完全可以接受的。

  本文的前半段参考了吴岳良院士的讲座,在此祝吴先生身体健康。

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  作者:王纪尧

  配图:王纪尧

  校对:叶君耀

  排版:王纪尧

  责任编辑:解仁江

  牧夫新媒体编辑部

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