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朱传界:爱因斯坦统一场论之梦

2016年03月09日 浏览量: 评论(0) 来源: 本站原创 发布者:
摘要:在爱因斯坦逝世60周年、广义相对论发表的第一百年之际,受邀的理论物理学家、中国人民大学物理系教授、博士生导师朱传界先生,跟大家一起讨论相对论,追寻爱因斯坦统一场论的梦想。

  我今天的讲座主要分五个部分。

  一、统一是物理学发展的驱动力。

  从物理学的发展史来看,牛顿力学统一了机械运动。牛顿在总结前人成果的基础上,提出了经典运动学的三大定律(惯性定律、加速度定律、作用力和反作用力定律)和万有引力定律,奠定了此后三个世纪里,一直到十九世纪末物理世界的科学观念,并成为了现代工程学的基础。这是物理学第一次真正的统一。

  第二个统一,麦克斯韦(方程)统一了电现象和磁现象,也将光纳入了电磁波。奥斯特首先发现载流导线通电流时会使磁针偏转改变方向,后来毕奥、萨伐尔和安培给出了电流产生磁场的规律。接下来法拉第发现的电磁感应定律:变化的磁场产生电流。1865年,麦克斯韦将电现象和磁现象统一起来。

  第三,原子论和分子论统一了物质结构,物理学上给出了热力学和统计力学规律的微观解释。

  第四,爱因斯坦的广义相对论统一了平直Minkowski时空和引力,也就是说将引力当做了空间现象。1905年爱因斯坦提出基于光速不变和相对性原理的狭义相对论后,他一直就想将引力也纳入相对论里。狭义相对论主要是认为速度是有极限的,不能超过光速。广义相对论的基础是广义相对性原理和惯性质量与引力质量相等这两条假设。

  第五,爱因斯坦完成了广义相对论之后,还做了两件事,一个是反对量子力学,另外是尝试统一引力和电磁相互作用力但没有成功。爱因斯坦的思想一直主导着其后基础物理的研究模式。爱因斯坦强调的研究方向,包括物理几何化和公理化,尤其是他倡导并为奉献他生命的最后30年里一直寻找统一场论,一个能在单独的包罗万象的协和的数学框架下描写自然界所有力的理论,一直是纯理论研究的最爱。

  爱因斯坦研究统一场论的动机是一种关于自然界基本规律内在美的信念:对宇宙的最深刻认识将揭示它的最真实秘密,那就是,它所依赖的原理是简单而有力的。但是,爱因斯坦从未实现他的梦,主要原因是当时人们对自然界的许多基本特征还是未知的。

  第六、轻子、夸克和规范场统一了微观世界,只有Higgs粒子有些特别。粒子物理学是研究物质基本组成的科学,从原子开始就是粒子物理学研究的主要目的,粒子物理学起源于人们对原子和分子构成物质的更深层次的探索。1897年,汤姆逊1906发现电子,爱因斯坦1921年提出相对论和用光量子解释光电效应,1921年爱因斯坦做了三个非常重要的工作,一个是相对论,另外解释了光电效应,还有就是布朗运动。爱因斯坦借用能量量子的概念,提出了光量子的概念。

  第七,Glashow、Salam和Weinberg统一了电磁相互作用力和弱相互作用力。

  刚才所讲到的七点,想说明的是物理学发展都是以统一为目的,不仅仅是简单的解释一个现象,统一实际上就是物理学发展的驱动力。

    

  二、对广义相对论和宇宙学的研究取得了巨大的成功。

  1、爱因斯坦的三大经典预言基本被证实

  爱因斯坦提出广义相对论时也同时给出三大经典预言。第一个预言就是用广义相对论计算了水星近日点的剩余进动,得到了与观测相符合的结果。

  第二个预言是引力场引起量子光谱向红端(长波方向)移动,从紫外线往红外线移动。

  第三个预言是星光经过引力场时会发生偏折。

  2、广义相对论被用来研究宇宙学,给出了标准大爆炸宇宙学模型

  3、广义相对论的精确解和黑洞

  广义相对论在60年代和70年代初有一个相当活跃的理论上的发展,也就是讨论广义相对论的精确解和黑洞,并且发现了黑洞的三定律。

  4、脉冲星的发现和对强引力和引力辐射的检验

  脉冲星是一种不断发射出非常有规律的无线电脉冲的天体,不同的脉冲星发出的这些电磁波具有不同的脉冲周期。

  广义相对论无论是在实验上还是理论上,在二十世纪都有了相当的发展,从爱因斯坦提出的最初三大检验,以及后来发现脉冲星、脉冲双星,以及我们对黑洞的研究,在理论、在实验上都有了相当大的进展,广义相对论是实验和理论基础都非常不错的理论。

    

  三、粒子物理标准模型的问题。

  1、规范理论和粒子物理标准模型

  二十世纪物理学的两大革命性成就是相对论和量子力学。相对论包括广义相对论和狭义相对论。狭义相对论和量子力学的结合就是量子场论。通常量子力学,粒子是不变的,电子还是电子,电子在一些不同的力的作用下运动,粒子数可能是守恒的,但是在量子场论里,粒子是不守恒的,因为能量和粒子之间可以相互转化。量子理论和量子场论都是一些理论框架。量子场论的一个基本困难就是高阶修正是无穷大,这是由重整化方法解决的。此外,量子场论的另一个基本困难就是相互作用的任意性。

 2、超对称的引入。粒子理论研究中还引入了超对称,然后用超对称来构造一个最小的超对称标准模型,最小超对称标准模型实际上预言了如果将强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用做点化的话,实际上他们在很高能量下可以统一起来,这就是所谓大统一,在最小超对称标准模型中得到了提示,应该是比较正确的。

  3、高维理论和高维的引力理论。所有这些理论元素和引力都包含在超弦理论之中。

  四、超弦理论是什么。

  弦理论相比量子场论的跳跃是将点换为弦——有一维长度的延展体,弦理论保持其它原理不变。自由弦在时空中的运动给出二维面:弦相互作用是由弦的结合或断裂引起的,由于相对性原理,弦相互作用点是模糊的,它与自由弦上的点没有本质的差别,因此拓扑给出弦的相互作用。

  经过研究,人们发现有时空超对称性的超弦理论只有在10维时空中才是自恰的,超弦理论有很好的高能性质,是单圈有限的,人们还猜测超弦理论应该是所有圈都是有限的,因此超弦理论给出了一个自恰的微扰量子引力理论。实际上,超弦理论从原理上解决了引力和统一理论的问题。

  基于弦理论的基本观点,可以认为自然界物质的基本单元电子、光子、中微子和夸克等等这样的“基本粒子”,实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦),闭弦的不同振动和运动就给出这些不同的基本粒子。在弦理论中自然地可以得到规范对称性、超对称性和引力,而这些原理在原有的标准模型中或者是强加进去的或者是与量子理论相冲突的,在弦理论中它们都协和地统一起来了,并且是彼此需要、独一无二的。

  超弦理论自提出以来经历了两次革命。1984年的第一次革命后,人们发现了5种自洽的超弦理论,发现了通过Calabi-Yau流形紧致化可自然地仅保持简单超对称,发现了新发现的杂化弦理论可自然地给出大统一理论要求的规范群。1995年的第二次革命,统一了5种超弦理论。

  五、超弦理论会实现爱因斯坦的梦想吗?

  爱因斯坦的梦想,就是要统一引力和电磁力,但是他没有成功,电磁相互作用力是跟弱相互作用统一起来的,但是当时的条件有限,爱因斯坦如果活到现在的话,他要想做的话,实际上应该将几种相互作用力统一起来。规范理论的扩充给出非阿贝尔规范理论,描述三种相互作用。物理学的发展历史说明:物理学发展的规律是没有一个可以遵循的规律。既使是哲学也不能简单地用来指导科学研究。

  爱因斯坦的成就是巨大的,同时他也是幸运的。当时作为电磁相互作用力的基本理论(电动力学)的发展已经在呼唤相对论。爱因斯坦的超级幸运还表现在另一方面: 黎曼几何和张量运算已经是一门非常成熟的数学分支。

  弦理论出现以后,会是一种什么情况呢?轻子和夸克的更深层结构?弦理论给岀了基本粒子的一种解释,但弦本身又是基本的吗?弦理论的研究进入了一种纠缠细节的泥潭中,需要有一种大局观去思考更基本的问题,也需要有数学的帮助。弦理论是值得我们教给我们学生的知识,继承者总有一天会实现基本物理学的又一次统一,统一之后的物理学还会扩展它的研究领域。

 

(完)

 

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