4.现代物理学对于统一场论研究的基本思路.docx

现代物理学对于统一场论研究的基本思路

正如中国科学院物理所的一篇官方公号文章中所说，“科学家认为应该有一个万物理论，因为过去的许多物理学突破都是某种统一.因此，这里的目标是找一个更深层次的底层结构，在某些情况下看起来像量子论，在其他情况下又像相对论.”1968年，一个重大的历史时刻提前一个世纪到来了，意大利物理学家维尼基亚诺随手翻阅了一本数学书，找到了数学家欧拉于1771年研究过的一条函数，他把它应用到“雷吉轨迹”的问题做了计算，结果发现它能很好地描述核子中许多强相对作用力的效应.不久，南部阳一郎、萨思金和尼尔森三人分别证明了维尼基亚诺模型在描述粒子的时候，它等效于描述一根一维的“弦”.这是量子研究的一个重大突破.量子向来只被看成是粒或点，现在却被描述成为一根“弦”了.这个偶然的发现把量子的研究步伐推进了一个世纪.因按正常的科研步伐，这个问题要到21世纪中叶才可能发现.到了1984年，施瓦茨和格林取得了一个伟大的突破，也是第一次超弦革命.他们对量子弦的描述图像是：任何粒子其实都不是传统意义上的点，而是开放或闭合（头尾相接而成环）的弦，它有十维，其中六维蜷缩在大一点的另一头，人类只能感知四维，这四维就是我们的生活时空.1995年爱德华·威顿完善了超弦的理论.这时，爱因斯坦的统一场论又出现新的转机.如果人们能找出控制超弦的那种最终的力，统一场论就能成立.

最近20年来统一场论的研究主要有四条道路：

第一条道路即所谓的“弦论”.大约在公元前387年，希腊哲学家柏拉图认为，几何学研究是通向认识宇宙本质的道路.卡拉比猜想是在1954年召开的国际数学家大会上，意大利几何学家卡拉比提出：在封闭的空间中，有无可能存在没有物质分布的引力场.这就是著名的卡拉比猜想.卡拉比认为自己的猜想是正确的，但是，包括他自己在内，没有人能证实.然而，几乎所有的数学家都认为，卡拉比是错的，包括年轻的丘成桐在内.在1973年初，丘成桐花了相当多的时间，证明卡拉比猜想是错的；几个月后丘成桐认为自己最终得出了卡拉比猜想是错误的证明时，一个有顶级几何学家参加的大型会议1973年8月在斯坦福大学召开，丘成桐就将自己的想法告诉了卡拉比.当天晚上7点卡拉比带来了几个来自宾夕法尼亚州的同事.丘成桐讲了大约一个小时，大家也认为可以停止一相情愿地认为卡拉比是正确的想法.

但在当年10月，卡拉比和丘成桐都发现其证明思想有一些问题.于是，丘成桐开始寻找别的例子来证明卡拉比是错的.两个星期后，仍发现证明总会在最后崩溃……这时，丘成桐才对卡拉比猜想有更深刻的理解，认为它应该是正确的；也开始发明新工具，来理解卡拉比猜想.1975年丘成桐最终解决了整个问题，然后到宾夕法尼亚大学去见卡拉比.他们又一起再到纽约大学找数学家路易斯·尼伦伯格讨论这个问题.之后几个月里，丘成桐写了证明卡拉比猜想的论文.这一年，丘成桐27岁.卡拉比猜想的证明，让丘成桐一举成名，他的证明所称为“丘定理”，他们所发现的新空间，被称为“卡拉比-丘流形”.卡拉比猜想的证明，解决了代数几何中的十多个重要问题，但卡拉比猜想被证明的重要性，远远不止于此.因为它已成为现代物理学家们解释宇宙本质的弦理论的基石.例如，丘成桐说，数学家们认为可以通过五维时空（四维空间和一维时间），来统一爱因斯坦的相对论和电磁场等量子论，但物理学家们又发现了很多新粒子，这些粒子需要额外的维度，来解释其强作用力和弱作用力.当物理学家们解决了这些问题后，他们发现需要一种名为弦理论的东西，才能解释宇宙.所谓的弦理论，就是将“弦”看做是物质组成的最基本单元，所有的粒子，如电子、光子、中微子和夸克，都是弦的不同振动激发态，以代替经典物理学模式中的基本粒子.

弦理论的雏形，是在1968年由意大利物理学家加布里埃莱·威尼采亚诺提出的.他当时在麻省理工学院工作，希望找到能描述原子核内强作用力的数学函数，在一本数学书中，他发现有200年历史之久的欧拉函数，能描述他所要求解的强作用力.不久后，美国斯坦福大学的理论物理学家李奥纳特·苏士侃指出，这个函数，可理解为一小段类似橡皮筋一样扭曲抖动的“线段”，即“弦”.物理学家们发现，为了与量子论一致，弦需要在十维度中震动：三维是空间、一维是时间，另外六维则是“致密空间”，隐藏在“致密空间”中的维度，如此之小，以至于人们不能通过任何可感知的实验来探测.实际上，它们是纯粹的结构.而包含六维空间的“卡拉比-丘流形”，所拥有的特殊拓扑学性质，正好是弦理论所需要的.

丘成桐的引导是：如果这些空间真正模拟了弦理论所需要的六维空间，那么它们将有助于我们推导出隐藏在宇宙中的几何学和物理定律.丘成桐认为，弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和引力等四种相互作用力统一起来的理论，它第一次将20世纪的两大基础理论——广义相对论和量子力学结合到一个数学上自洽的框架里，有可能解决一些长期困扰物理学家的世纪难题，如黑洞的本质、宇宙的起源等.

1968年弦论的开创者维尼齐亚诺（GabrieleVeneziano），萌生用描述核子中质子和中子及其作用力，如夸克被禁锢在质子或中子内，彼此就好似用橡皮弦把它们拴在一起作的模型.这个模型的核心概念是基本粒子并非点状物，而是无限细的一维实体，也就是弦.在基本粒子庞大的家族中，每种粒子都有自己的特性，这反映在一根弦有多种可能的振动模式上.这样一个看似与小提琴弦没两样，只不过其上的振动以光速传播的“量子弦魔术”，一旦把量子力学套用到振动的弦上面，崭新的性质便出现了.首先，量子弦的尺度有限.如果不考虑量子效应，一根小提琴弦可以一分为二，再一分为二，这样一直分割下去，直至最后变成一些无质量的点状粒子.但是分割到一定程度，海森堡的测不准原理就会介入，防止最轻的弦被分割到10的-34次方米以下.这个不能再分割的长度量子，用ls表示，是弦论引入的一个全新的自然常数，与光速C和普朗克常数h并列.它在弦论的几乎所有方面都起着决定性的作用，为各种物理量设定了上下限，防止它们变成零或无穷大.

其次，就算没有质量的量子弦，也可以有角动量(笔者注：此时是电磁质量的角动量).在经典物理学中，角动量是绕轴旋转的物体所具有的一种性质.计算角动量的公式是速度、质量以及物体到转轴距离三者之乘积，因此无质量的物体不可能具有角动量.但在微观世界中，由于存在量子涨落，一根微小的弦即使没有任何质量，也可以获得不超过2h的角动量.量子弦在通常的3维之外，还存在额外的空间维度.经典的小提琴弦，不管时空的性质如何，都可以振动.但要使描述量子弦振动的方程能够自洽，时空必须是高度弯曲的，否则它就应该含有6个额外的空间维.在物理方程中，物理常数现在不再具有任意给定的固定值，它们在弦论中以场的形式出现，就如电磁场一样，可以动态地调整它们的数值.在不同的宇宙时期或者在相隔遥远的空间区域，这些场可能取不同的值.这其中的所谓“膨胀子场”是整个弦论的关键，它决定了所有作用力的总强度.现代物理实验清楚的表明：宇宙中的基本粒子都显得具有一内禀角动量，等于h／4π的某一整数倍（h为普朗克常数），特别是我们最熟悉的质子、中子、电子、光子和中微子都具有一内禀角动量.在有这些粒子参与的一切相互作用和重新组合中，角动量总是守恒的.在基本粒子中，电子具有非常确定的质量和电荷，实验显示电子在10^-15cm量级仍表现得像个质点，不呈现内部结构，但电子却有着某种类似于内部结构的自旋角动量，一个没有大小的质点却具有旋转角动量和空间方向性.

它是物理学家们的宠儿，沿着这一道路前进的理学家为数最多，远多于其他道路.弦论诞生于意大利物理学家伽布利耶•威尼采亚诺（GabrieleVeneziano）在1968年写下的一个公式.该理论认为量子理论不该被应用于点状对象，而应被应用于极微小的线条，即“弦”，这些弦的振动可以导出以相对论的种种公式并可以描绘日前所探测到的所有粒子.迄今未知，因尚有待实验验证，弦理论仍然是一个理论物理概念，但丘成桐认为，有朝一日，弦理论的实验证明将从根本上改变人们对结构、空间和时间的认识；数学中每一个基础性发现，最终在物质世界都有一个真实的意义……如果空间模拟了弦理论所要求的六维空间，那么它们将帮助我们推倒出宇宙的几何性质和物理定律.

2010年12月21日美国《连线》杂志报道，弦理论试图揭开一个物理学谜团，即物理学的两大理论量子力学和相对论为何基本上不相容.弦理论假设四维空间之外还存在额外维度，从而将这两种理论结合起来.弦论的一个基本观点就是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子.这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭弦)，闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子.

第二条道路——“圈量子引力论”——则于1988年出现在意大利人卡尔洛•罗韦利（CarloRovelli）及美国人李•斯莫林（LeeSmolin）的笔下.其目标是重新诠释广义相对论将时空与万有引力联系在一起的方式，以便在不改变任何公式的前提下，使量子理论的公式能够得到直接的应用.这可谓是对这一难题发起的正面进攻，它并没有引入任何新的概念.在一些物理学家的心目中，它将成为弦论的有力竞争者.1904年，庞加莱提出庞加莱猜想，奠定了当代前沿科学弦膜圈说的数学基础的形式体系.即正猜想的收缩或扩散，涉及点、线、平面和球面；逆猜想的收缩或扩散，涉及圈线、管子和环面；外猜想的空心圆球内外表面及翻转，涉及正、反膜面、和点内、外时空.这是传统科学的结束，革命科学的开始，因为以“乌托子球”为最高理想的原子论（量子论）模型解读遍历科学的波尔兹曼，在同一“战壕”里长期争论的苦闷中的自杀，给革命和科学的分化与合作都留下了悬念.原因是，波尔兹曼的乌托子球量子论，被同一“战壕”里的一批知名的唯物论革命战友，误认为是没有实验基础的科学假说.而就在波尔兹曼自杀后的第二年，爱因斯坦就帮助波尔兹曼找到了科学实验证据.然而最冤的还有波尔兹曼的朋友庞加莱，因为在另一批知名的唯物论革命战友支持波尔兹曼的声讨中，庞加莱也被不加区别地当作了20世纪的“坏人”.原因是庞加莱从拓扑几何学的同伦论、同调论、同胚论、同构论出发，认为唯物论革命的基础科学假说除同伦论、同调论、同胚论、同构论的“乌托子球”外，还应有不同伦论、不同调论、不同胚论、不同构论的“乌托子环”.但科学和革命说到底已经都成为一种强大的社会集团，庞加莱好心帮助朋友波尔兹曼，却被这类强大的社会集团当作了反波尔兹曼.庞加莱两头受气，使年轻的爱因斯坦增长了见识，也埋下了心计的阴影.

第三条道路——“非交换几何学”——出自法国数学家阿兰•孔内（AlainConnes）自上世纪80年代开始的研究工作.其构想，就是重新从长久以来被人们忽略的对量子力学所进行的一种代数学诠释出发，将其演绎为一种新的时空几何.这一极其抽象的结构能够自发地导出广义相对论和所知的粒子.这种数学的视角，正在引起越来越多的物理学家们的重视.

最后第四条道路——“标度相对论”——于1979年出自法国人洛朗•诺塔尔（LauretNottale）的灵感.它认为时空的结构取决于我们对其进行测量的标度，试图证明广义相对论和量子力学都只是对某一根本理论的逼近，仅在某些标度下有效.“标度相对论”已经部分达到了自己的目标，这使它颇具黑马的气质……

除了上述四条道路以外，物理学家们还对其他众多道路进行了探索.1918年的赫尔曼•外尔（HermannWeyl)以及之后的西奥多•卡鲁扎（TheodorKaluza)及亚瑟•爱丁顿（ArthurEddington)都为此作出过努力.当然，爱因斯本人在其生命的最后40年中也提出过不少解决构想.再到后来，还有一批杰出的理论家，比如罗杰•彭罗斯（RogerPenrose)、安德烈•萨哈罗夫（AndrelSakharov)及斯蒂芬•霍金（StephenHawking)等也曾为此绞尽脑汁.雷纳特•洛尔（RenateLoll)、扬•安卜强（JanAmbjorn)和儒莱•儒齐耶维茨（JurekJurkiewicz)还提出了一项新理论.