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超弦理論及其進展
盧建新 2011/8/30
摘要 綜述了超弦/M理論的意義、重要性及其發(fā)展過程中的兩次革命以及已經取得的成績, 評述了該領域目前的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢, 探討了該理論的研究如何幫助我們認識和理解一個量子引力理論以及包括引力在內的相互作用統(tǒng)一理論所需要滿足的要求和條件. 該理論的研究也在一定程度上揭示了時空的本質和模糊性、相互作用的本質和模糊性, 以及在考慮非微擾效應下經典和量子之間存在的可能模糊性, 由此為該理論的進一步研究和完善給予啟示.
關鍵詞 量子引力,統(tǒng)一理論,超弦/M理論
1 研究的動機
物理學中有待解決的基本問題之一是如何實現(xiàn)引力的量子化, 并將引力與自然界其他三種基本相互作用——電磁力、弱相互作用力和強相互作用力統(tǒng)一起來. 盡管量子引力離我們日常生活以及目前人工加速器所能達到能標下的物理現(xiàn)象的研究甚遠, 但人類從未停止過對未知世界以及由此而提出的一些基本問題的好奇和探索. 正是這種好奇的驅動力使得我們對周圍世界運行規(guī)律的了解不斷深入, 人類也因此豐富了自己的視野, 從中獲得了巨大的收益. 量子引力與宇宙的起源所涉及的一些基本問題, 如時空的本質和相互作用本質等緊密相關, 特別要理解如黑洞熵的本質、黑洞奇點、宇宙學奇點問題以及近期宇宙學觀察發(fā)現(xiàn)的暗能量本質問題, 都需要理解引力的量子行為. 另外, 相互作用的統(tǒng)一也需要引力的量子理論, 很難想象一個經典引力可以與另外三種量子相互作用統(tǒng)一在同一個理論框架內. 超弦理論是人們經歷了無數(shù)次不成功嘗試而獲得的一種包括引力在內的量子統(tǒng)一理論, 是目前量子引力理論的最佳候選者. 超弦理論至少在量子微擾意義上是自洽的, 實現(xiàn)了量子引力的一些基本要求, 如自然地將20世紀兩大物理支柱——量子力學和廣義相對論有機結合起來, 從理論上實現(xiàn)了包括引力在內力的普朗克能標(1019 GeV)即紫外也是有限的. 特別要提到的是, 近期對非微擾弦理論的研究揭示了一個更大理論的存在, 即所謂M理論的存在性. M理論如果成功, 它一定會導致一場人類對時空本質、時空維數(shù)、相互作用本質、暗能量本質等革命性的認識, 其深刻程度不亞于20世紀的兩場物理學革命: 量子力學和廣義相對論. 該理論的成功對我們了解宇宙的起源和演化必將起著促進作用. 另外, 精確宇宙學時代的到來以及歐洲核子中心大型強子對撞機(LHC)即將運行為檢驗該理論提供了一定的實驗基礎, 更為其進一步發(fā)展提供了實驗指導. 超弦/M理論的研究也為其他科學分支提供了新的思路和方法, 如解釋凝聚態(tài)物理中分數(shù)量子霍耳效應, 并加深了我們對一些基礎數(shù)學如幾何與拓撲學的認識, 導致了一些新數(shù)學的發(fā)現(xiàn). 正如加州理工學院弦理論家Ooguri于2008年7月在歐洲核子加速器中心(CERN)召開的國際超弦會議所做會議總結中提到的, 超弦理論不僅是一個統(tǒng)一物質及其相互作用的候選理論, 它也是一個模型, 對我們已知的四維世界的引力、手征費米子、規(guī)范相互作用、對稱性破缺等提供了很好的描述, 特別它教給我們一個自洽的量子引力理論所具備的特征及要求; 它還是一個工具, 例如通過該理論獲得的AdS/CFT對應可以對很多強相互作用系統(tǒng), 如夸克-膠子等離子體、強子物理、凝聚態(tài)物理中的量子相變、冷原子系統(tǒng)等的廣泛應用; 最后它還是一種語言, 如在普朗克能標時量子引力變得重要, 此時時空將不存在, 必須從更基本的結構導出, 因此我們需要一個全新的更基本的語言來描述這一結構. 換而言之, 超弦理論所起的角色不僅是一個上述意義下的候選者, 也是一個模型, 是一個工具, 更是一種全新的語言.
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