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    超統一場論為揭秘時空和引力本質及物質和宇宙起源開辟新途徑

    文章來源: 發布時間: 2021-12-20 【字體:      

      目前,人類已知自然界存在著引力、電磁、強和弱四種基本相互作用。其中,引力由愛因斯坦的廣義相對論來描述,電磁相互作用由麥克斯韋方程組來描述,強相互作用由量子色動力學來描述(質子和中子結合成原子核表現為強相互作用),而弱相互作用由電弱模型描述(不穩定元素的放射性衰變由弱作用引起,如 beta -衰變)。理論物理的終極目標之一,就是尋找能夠統一描述4種基本相互作用的理論框架,即統一理論。 

      為什么要統一不同的理論?在理論物理的發展歷史中不只一次地出現描述不同物理現象的統一理論,而每一次統一都使得人類對自然的認識更加深入。例如,直觀上認為電和磁是不同的自然現象,但麥克斯韋提出一組方程組,可以對電和磁進行統一的描述,說明電和磁本質上是一致的,即電可以生磁、磁可以生電,為后來電動機、發電機、無線電通訊的發展奠定了基礎。 

      理論物理目前的研究表明,電弱相互作用和強相互作用可以由粒子物理標準模型來描述,但仍然相對獨立,并沒有形成統一。另外,引力相互作用與其它相互作用有本質的不同,描述引力的廣義相對論仍然是一個由時空幾何動力學描述的經典理論,并非一個量子理論。因此,尋找引力的量子理論,并將電弱相互作用、強相互作用、引力相互作用統一起來,一直是理論物理學家追尋的目標。在尋找統一理論的路上,愛因斯坦后半生曾做個多次嘗試,但并沒有成功。近幾十年來,理論物理學家提出和發展的超弦理論,被認為是統一理論的一個可能的候選者。然而,對這一問題的研究,目前并沒有定論。  

      在愛因斯坦提出統一場論百年之際,中國科學院院士、理論物理所研究員吳岳良完成了《超統一場論的基礎》的系統性研究工作,為揭秘自然界的基本組成和基本對稱性及其基本相互作用、時空和引力的本質以及物質和宇宙的起源開辟了新途徑,是對統一理論的新的嘗試。  

      《超統一場論的基礎》的探索和研究,打破了通常沿著愛因斯坦創立相對論以來所形成的思路,不再直接從已有的關于對稱和時空及其幾何的概念出發,而是把物質和運動的觀念作為基本出發點,即:自然界是由基本的物質構造塊組成,物質構造塊是由內稟結構并總是在不斷運動,且其運動是簡單和有規律的。為使這樣的物質和運動的觀念在物理上能合理而自洽地得以實現,《超統一場論的基礎》通過把成功地應用于量子場論和經典物理的路徑積分作用量原理作為其理論的形式體系,提出最大相干運動原理和局域糾纏量子比特運動原理并與標度和規范不變原理一起作為奠定超統一場論的基礎。  

      《超統一場論的基礎》從基本物質場和運動觀念出發,基于已有的物理現象和物理實驗,提出建立超統一場論的基本指導原則,通過詳細的物理分析和系統的理論演繹歸納,自洽地解答基礎理論物理領域長期存在的一系列基本科學問題,例如:為什么自然界的基本構造塊呈現為旋量場;自然界的基本對稱性是什么以及它是如何產生的;什么是時空的基本屬性以及它是如何體現的;自然界的時空維數是如何確定的,為什么時間不同于空間,時間只有一維;為什么自然界存在一代以上的輕子和夸克;為什么目前觀測到的物質世界是一個四維時空的宇宙;自然界已知的四種基本相互作用可否由統一的基本對稱性來支配;引力的本質是什么以及它是怎樣由超統一的基本對稱性來刻畫;時空的本質和結構是什么;怎樣理解宇宙的起源和演化,宇宙的早期暴脹是如何發生的;暗物質的屬性是什么,它的存在是否暗示著自然界新的相互作用;暗能量的本質是什么,它的呈現是否來源于自然界新的相互作用;為什么今天的宇宙呈現出宇稱破缺以及物質與反物質不對稱;基本物理定律的統一描述是否由物質和運動的觀念唯一地確定,它將導致怎樣的能量觀念、時空觀念、幾何觀念和宇宙觀念。 

     

      吳岳良院士的相關研究成果寫成兩篇長文“超統一場論的基礎 I —自然界基本構造塊和對稱性”和“超統一場論的基礎 II —自然界基本相互作用和演化宇宙”以專輯特刊《超統一場論的基礎》(共301頁)發表在“國際現代物理雜志上:“Special Issue on the Foundation of the Hyperunified Field Theory” (https://www.worldscientific.com/toc/ijmpa/36/28)  

     

            相關工作分別應邀在中國物理學會2020/2021秋季會議以及第28屆 “超對稱和基本作用的統一(SUSY2021) ” 國際會議上做大會報告:  

      上述研究工作得到國家相關基金的支持,包括:科技部國家重點研發計劃“引力波探測”重點專項、國家自然科學基金委“引力波相關物理問題研究”重大項目和暗物質屬性相關的重點類項目以及“理論物理??睢表椖?、中國科學院先導專項“多波段引力波宇宙研究-太極計劃預研”和空間科學戰略性先導科技專項“空間引力波探測太極計劃”等。 

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