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大家好，我是一刻talks的讲者吴岳良。 因为今天是中国科学院大学的专场，那么中国科学院大学是从伴随着这个改革开放是1978年成立的，那么我也是伴随着这个科学春天，进入了这个大学。那么1982年大学毕业以后，我就考上中国科学院理论物理研究所。我在大学的时候，我们的老师就要告诉我，要学理论物理，最好的地方就是中国科学院，中国科学院理论物理研究所，因为理论物理所的两位所长，彭桓武先生、周光召先生，都是两弹一星功勋的获得者，我有幸师从周光召先生。1987年获得博士学位，得到李政道先生的推荐，赴德国从事博士后研究，先后在德国和美国，从事理论物理研究近10年，1996年回到中国科学院理论物理研究所，也担任过理论物理所的所长。 那么国科大更名在2012年，我就加入到国科大，担任常务副校长，我主要的从事就是极小的量子、粒子与极大膨胀的宇宙的前沿研究，现在是担任空间引力波探测，太极计划的首席科学家，那么同时也兼任了联合国教科文组织国际理论中心亚太地区的主任。 今天我跟大家来分享一下，关于太极计划和统一理论，我的报告内容大概是三个部分，首先我们来看一下，人类在自然界基本相互作用，以及从量子、粒子到这个整体宇宙的一个认知。到目前为止，人类发现自然界当中，存在四种基本相互作用力，那就是引力、电磁相互作用力、弱作用和强作用力。那么粒子物理标准模型预言了，一共有61种基本粒子，到目前都已经找到，现在我们没有找到的就是引力子。 世界上所有我们能感受到的这个力，都可以归结为这四种基本作用力。那么人们再早认识到的这个基本相互作用就是引力，那么这些是由牛顿万有引力来描述的。1915年，爱因斯坦提出发展了广义相对论，来描述引力的一个经典场论，它支配着天体的运行和宇宙的演化；另外我们知道的这个电磁相互作用力，在我们日常生活当中都是会碰到的，比如说弹力、张力、摩擦力等等，那么实际上它们都起源于，微观的原子和分子里边这个电子和离子的电子相互作用。那么电子相互作用，那用麦克斯韦方程来描述，它支配着我们介观物体的运动，包括我们生命的这个演化，那么强相互作用跟弱相互作用，发生在微观物质之间，强相互作用，就是把质子和中子，结合原子核的这个相互作用，那么不同的原子核可以导致各种不同的化学元素，有一些化学元素它是不稳定，能够产生放射性，那这就是弱相互作用引起的，这两种相互作用，都可以用杨-米尔斯规范理论来描述。 尽管引力是人类最早认识的这个相互作用，但我们仍然对它的认识最不清楚，占整个宇宙组分的95%以上的，比如说暗物质和暗能量，就是通过引力相互作用发现的。但是等于暗物质的属性是什么，暗能量的这个本质是什么，我们仍然不清楚。所以我们称这部分宇宙，叫做暗宇宙，或者叫做引力宇宙。而有强作用和电子作用，形成的原子物质，占整个宇宙的不到5%，那么它称为可见宇宙，就是平时我们看到的，现在的物质世界，包括我们人类的本身生命都是这个可见物质。 2016年，地面引力波天文台LIGO，首先宣布，首次发现了这个引力波，直接观测到引力波。这个消息应该是在全世界，特别是科技界为之振奋，因为引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一个重要的一个结果，那么它表现为，空间曲率的一种波动，就像这个水面，泛起的那个涟漪一样，它以光学向外传播，那么引力波的发现就开创了人类探测宇宙的一个全新的窗口，它不同于电磁波，并且它会涉及到最前瞻和前沿的技术，所以它也称为，物理学王冠上（的）明珠，成为各个大国之间竞争的一个科学的前沿。除了美国以外，包括欧洲、日本、印度，都要开展地面引力波探测，欧空就跟美国宇航局，也联合的提出，空间引力波探测的叫LISA计划。 那么2016年，我们国家领导人，也在引力波探测作出了重要的批示。中国科学院组织了多次的论证、讨论和部署，先后启动了先导科技专项，是太极计划、预研计划，还有空间引力波，这个探测太极计划的背景型号研究。空间引力波探测，应该该人来认知引力，和时空的本质以及宇宙的演化，特别是要探索，我们认识到的，四种相互作用力的统一，那么奠定重要的基础。 在2019年8月31号早上9点，正好是中国科学院大学举行2019届新生开学典礼，当时中国科学院院长，也是中国科学院大学名誉校长，白春礼院士就向现场的师生，通报了一个重大的喜讯，就是那天早晨7点41分，中国科院在酒泉卫星发射中心，发射一颗叫做微重力技术实验卫星，也就是太极一号卫星，这个卫星的主要用户单位，是中国科学院大学，因为中国科学院大学，承担了这个科学应用系统的建设，那么太极一号实验，成果发表在Nature子刊《Communications Physics》。 今年（2021年）7月20号，举行了新闻发布，最主要的技术成果，就比如说激光干涉测量精度，可以达到百皮米量级，什么概念？就相当于一个氢原子直径的大小，在有的频段，甚至比这个直径还要小。那么引力参考传感器测量的精度，达到了十亿分之一米每秒平方，什么概念呢，就是说，一个蚂蚁推一下太极一号卫星，太极一号卫星大概180公斤，所产生的加速度，你要把它测量出来，然后微推进器推的精度，达到了亚微牛量级，什么概念呢？产生这个力，就相当于蚂蚁的万分之一，这么一个重量，你要把它测出来，那么太极一号取得成功，实际上实现了我们国家首颗空间引力波探测技术实验卫星，也是中国首次在轨无拖曳控制这个技术的一个验证，也是中国最高精度空间激光干涉测量，也是首次在国际上，在轨验证了微牛量级的射频和双模霍尔微推进技术，也被选为2019年中国十大科技进展的新闻。 那么太极一号的成功，应该说迈出了我们国家，空间引力波探测的第一步，为率先取得突破奠定了重要的基础；这个太极一号实验的结果，也是验证了，太极技术路线的正确性和方案的可行性。 太极一号发射和运行成功，也不是一帆风顺。为了保证万无一失，特别是空间项目，太极一号这个卫星，从上海小卫星研究院出厂以后，运到酒泉发射中心，要在所有的部件，功能和所有的这个指标进行再次的检测，那必须跟出厂的所有的指标一致，才能够装上火箭发射。原计划是8月29号发射，但是由于火箭出了一个很小的一个问题，要求归零，就延迟了两天，是8月31号发射。在首次进行无拖曳控制的时候，太极一号卫星，在荧光屏幕上突然消失，跟我们的技术人员捉了一次迷藏，让大家虚惊一场，整整等了一个晚上。后来我们又看到了这个卫星，所以说太极一号这个卫星成功的背后，应该说凝练了所有参与人员的心血，几乎没有节日、没有周末也没有假期，有的甚至在大年三十晚上，也在实验室度过的。并且这只队伍很年轻，平均年龄不到35岁。“看，这个太极一号，是太极计划三步走路线图当中的第一步”。那么太极团队的人员，我刚才说他们付出了很多，因为这个项目从立项、到研制、到发射，用了不到一年的时间，面临着任务重、时间紧、难度大这样的挑战，可以说太极一号的成功，在中国科学院空间科学卫星史上是一个奇迹，充分体现了中国科学院，建制化的特色和优势。 那么太极计划，应该可以追溯到2008年，在中国科学院支持下，当时胡文瑞院士，组织我们国家科学家，进行首次的论证。2012年，我代表引力波探测，中国的引力波探测工作组，在这个欧空局举行的首次联盟会议上报告了这个计划，当时从技术和科学目标，两个方面进行优化考虑，我们选择的是300万公里的正三角形卫星编队这样的一个探测系统，那么不同于早期LISA他们提出来的500万公里，以及他们后来提出的100万公里，最近他们回到250万公里。这个是以太阳为中心，这个超前或落后地球20度左右，那么这个计划，我们对外简称叫太极计划。2016年的这个自然杂志专门做了报道。 太极计划主要要探测中低频段的这个引力波，那么作为绕着太阳，这个轨道的一个升空，引力波探测计划，它的技术和工程的要求，几乎到了人类现在能够达到的极限，比如我举一个例子，前面讲的这个太极也好，那么太极三号将要达到的目标，这个技术就是相距300万公里的两个测试质量之间的位移的距离的变化，那么它的精度要达到，原氢原子直径的1/10，对于这个扰动加速度的控制，要达到一亿分之一，我们的重力加速度的大小，什么概念呢？就是说假如能用一个西瓜的重量，去作用到一个相当于喜马拉雅山重量的一个物体上，产生的加速度，要把它测量出来。就是这么样一个精度，我们现在已经探测到，在地面上探测引力波。那么为什么，要进行声控引力波探测呢？因为声控引力波探测，可以探测到由近到远，由小到大各种引力波的波源，并且几乎能够探测到整个宇宙空间，这样就看我们的基础物理和这个引力波天文学和宇宙学突破打下基础。正如美国科学委员会，他们在2007年，一个报告当中讲到的，谁首先直接探测到中低频段这个引力波，那么这将是一个诺贝尔奖金的重大的突破。 那么下面我们讲一讲，为什么要研究不同理论的统一，在理论物理的发展史上，每一次统一，都使我们人类对自然界的认识更加深入，所以的话，理论物理的终极目标之一，就是要探索所有相互作用的一个统一理论。那么首先我们来看一下，大家熟知的牛顿经典理论，它可以被看作是描述所有能够抽象的知识点，在惯性参照考当中，一个宏观物体中低速运动的一个统一理论，不管是地面的还是天上的。我们知道 ，牛顿三大定力和万有引力定力，而正是以牛顿经典理论这个建立为标志，导致了第一次科学革命，并且引发了第一次工业革命，使得人类从农业社会进入工业社会，那么这个我们称为蒸汽机时代。 我们再来看一下，关于电和磁的统一，通常我们认为，电和磁是两种不同的电磁现象，但是麦克斯韦这个电磁理论方程组建立以后，表明电和磁本质上是一致的，因为电可以变成磁，磁可以生电，并且再预言了电磁波的存在，那么这就是（为）我们后面的电动机、发动机包括无线电通讯，奠定了基础。包括我们现在大家在使用的手机，都是这个符合麦克斯韦方程，而正是以麦克斯韦经典电磁理论的建立作为标志，导致了第二次科学革命，并且引发了第二次的工业革命，使得人类从蒸汽时代，进入了电子化的工业时代。 那第三个例子，我们来看相对论和量子论，爱因斯坦的狭义相对论，打破了牛顿的绝对时空观，那么他的广义相对论就打破了，牛顿万有引力的超距相互作用，那么量子力学，打破了牛顿的质点的假说，由狭义相对论和量子力学成功结合，而建立的量子场论，成为描述电磁强和弱相互作用，三种基本相互作用的，一个基本的理论框架，而正是以相对论和量子理论的，这个建立为标志，导致了第三次科学革命，那么也引发了第三次工业革命，使得人类从电汽时代进入信息化的工业社会。 那么这是现在我们的信息时代，但是爱因斯坦广义相对论，它是作为弯曲时空动力学来描述，跟其他三种相互作用的描述完全不一样，那么使得引力跟其他三种相互作用力的统一，遇到了根本性和原理性的困难。爱因斯坦的话，在一百年前，就提出了统一场论的思想，1922年，他发表了第一篇论文，那么他的后半生，也致力于这个统一场论，但最后是没有成功。最近我们完成了，超统一场论的基础的一个系统性的研究，那打破通常沿着爱因斯坦，创立相对论以来的一个基本的思路，就是我们不再从已知的，关于这个对称的，和时空及其几何的观点出发，我们直接从物质和运动的观念作为我们的出发点。那么我们认为，自然界，由一个基本构造块来组成的，这个基本构造块，它是有内禀结构的，并且总是在不断运动的，这个运动是简单的，并且遵循一定的规律这样子，我们就提出了最大相隔运动原理，和局域纠缠的量子比特运动原理，然后结合标度和规范不变原理，从而奠定超统一场论的基础，那么建立起了统一自然界所有基本相互作用，和自然界所有基本粒子的一个超统一场论。 比如我们看一下，牛顿的经典理论，他认为时间、空间、物质，相互独立的它是个绝对的时空观，那么爱因斯狭义相对论告诉我们，时间跟空间不再独立，它们组成一个四维的时空，你看，这就是整体平坦的一个闵氏时空，那么爱因斯坦广义相对论，告诉我们，物质跟时间 时空也不是独立的，这个物质的分布，决定了时空的几何性质，所以它用这个黎曼弯曲时空的几何动力学来描述，那么超统一场论这个观点认为，时空本身就是物质，因为它是一个引力规范的时空，所以我们的时空观是一个整体平坦的闵氏超时空，还有一个就是引力规范超时空，组成这个双标架时空，这样的一个概念。 那么这个超统一场论的基础，从这个基本的物质上，和运动的观念出发，可以回答我们，在基本理论物理里边，遇到的一系列的基本的科学问题，比如可以回答，为什么自然界的基本的组元，呈现为局域纠缠的；这个量子比特旋量场，那么自然界的基本对称性，它是怎么产生的？自然界的时空的维数，它是如何决定的？为什么时间不同于空间？时间具有一维，那么为什么自然界存在，有一代以上的夸克与轻子？那么还有为什么我们现在观测到的这个物质世界，是一个四维的时空？那么早期超统一场论里边，它预言是有19维时空，那么还有刚才讲的，自然界四种基本相互作用，怎么样由一个统一的基本对称性来支配？引力的本质它是什么？那如何有这样一个统一对称性来刻画的，那么还有时空的本质和结构是什么？刚才前面我已经提到的，一个双标架时空的概念，还有就是宇宙早期，它这个暴胀是如何发生的？还有刚才讲的暗物质的属性，和暗能量的本质是什么？等等，这个在超统一场论的基础上，我们都可以给予一个自恰的这个回答。在我要讲引力波的精确测量，将在人类认知时空和引力本质，以及物质和宇宙起源，发挥奠基性的重要作用。那么目前我们正在实施，太极计划三步走当中，这个第二步和第三步，就是太极二号、太极三号，那么我们争取能够率先在空间，探测到引力波，为我们国家在引力波基础研究的前沿，取得突破、奠定基础，并且使得我们国家的空间科学，有一个跨越的发展。再一个我想说的是科学史表明，一旦基础研究室的基本理论，取得根本性的重大突破，那必将导致新的科学革命，并且引发变革性的技术和颠覆性技术的涌现，点燃新的工业革命。 那么感谢中国科学院大学校友会的邀请，也感谢我们一刻talks的支持，然后再次祝贺中国科学院大学校友会，北京校友分会成功成立启动，谢谢大家。 吴岳良： 理论物理学家，中国科学院院士，中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师，中国科学院大学学术副校长、国际欧亚科学院院士。主要从事基本粒子物理和量子场论以及宇宙学的研究，研究成果对揭示物质运动的基本规律和物质的基本结构有着重要的学术意义 。在物质－反物质不对称的起源等研究领域取得重大科研成果。 中国科学院理论物理研究所 |
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