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格罗斯的第一课:基础物理即将到来的革命

发布时间:2005-02-25来源:作者:浏览次数:17547


    2月22日,格罗斯教授在浙大数学中心为这学期的弦理论课程上了第一课,题目是:基础物理学即将到来的革命。格罗斯教授主要从物理学三十多年来的发展,阐述了弦理论产生的由来,已经取得的成就和所面临的挑战。
    
    二十世纪初相对论和量子力学的建立是物理学的两个伟大发展。三十年代物理学家在狭义相对论和量子力学的框架下开始发展量子场论。以量子场论为基础,我们可以解释自然界中的物质和三种相互作用,即电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用。在七十年代用规范场而建立起来的标准模型是描述基本粒子的理论基础。用它可以解释夸克的组成一直到宇宙的早期演化近60个数量级的物理学。人类认识的每一项成就同时为我们带来新的问题和挑战。一些基本的问题是:为什么用杨-米尔斯场就可以描述基本粒子的相互作用?为什么夸克只有三代?为什么空间是三维的?
    
    与此同时,人们把目光放到了解更小尺度下的物理。物理学家发现了超对称,超空间等概念。在超对称场论中,物质和相互作用是可以相互转换的。研究显示,具有超对称的场论,电磁,弱,强相互作用的强度在较高的能级下将趋于一致。
    
    在六十年代末发展起来的超弦理论,第一次将量子力学和广义相对论统一起来。在弦理论中,人们用弦来代替点粒子,而保持其他的物理学原理不变。弦的振动模式就形成了各种粒子和它们的谱。弦理论有个自然的尺度,即普朗克尺度~10-35米。通常的时空观念在大于这个尺度才是有效的。而在这个尺度以下的物理,弦理论应会起主要作用。现在我们用加速器能够探测的尺度能达到10-18厘米。2007年投入使用的欧洲核子中心建成后,将能探测到希格斯粒子是否存在,并有望发现超对称等,但还远远达不到普朗克能标。而把加速器能量再增大,需要巨大的投入,将会变得愈来愈困难。
    
    弦理论三十年来已取得了巨大的成就。一是上面所说的把量子力学和广义相对论统一起来。另一方面,曾经困扰科学家的黑洞信息丢失问题由于可以利用弦理论得到微观态的黑洞熵公式(斯特明格和瓦发1995年的工作)而得到解决。近几年来研究较多的弦理论和规范场的对偶,有希望把量子色动力学等价于某种弦理论,从而解决量子色动力学中困扰多年的强耦合问题。与此同时,弦理论也为数学提出了许多有意义的问题,极大推动了现代数学的发展。
    
    弦理论本身存在许多富有挑战性的问题。特别是在95年人们发现许多非微扰态之后,原先的微扰弦理论需要扩充。时空这些原先被认为是基本的物理量将不再基本,而变成导出的量。那么什么是弦理论基本的自由度就成了一个基本的问题。在弦理论的发展中,保持基本的对称性是其中的一项指导原则,那么哪些是最基本的对称性,支配物理学的动力学原理是什么,都需要我们面对。
    
    目前的弦理论所处的阶段类似于量子力学诞生前的半经典理论的阶段。现在关于弦理论的许多知识与构造都是半经典的。弦理论正在酝酿着新的革命。我们完全有理由相信,在21世纪弦理论将会有许多新的发展和突破。
    
    (中国科技大学胡森,李思,陈益飞等 整理)