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愛(ài)因斯坦之后物理學(xué)的狀況及其革命性因素
（作者未知） 2009/7/28
（接上頁(yè)）小于lp和tp的范圍內(nèi)，空間、時(shí)間概念就失效了。1983年以來(lái)，霍金就致力于發(fā)展一種宇宙的自足理論。1984年初，他和他的合作者得到了第一個(gè)完整的宇宙自足解。該理論的第一個(gè)要點(diǎn)是建立非時(shí)間的理論，這種新的“時(shí)”空，實(shí)際上是一種歐幾里得空間，其中不再含有時(shí)間坐標(biāo)。該理論的第二個(gè)要點(diǎn)是給出上述歐氏空間的創(chuàng)生幅度，即宇宙創(chuàng)生于無(wú)的幅度�；艚鹬痪秃�(jiǎn)單的情況作了計(jì)算，還不能看作是真實(shí)宇宙的解，而不過(guò)是玩具式的模型而已，但它無(wú)疑向人們提出了一個(gè)值得深思的問(wèn)題：我們關(guān)于時(shí)空和宇宙的傳統(tǒng)觀念是否一貫正確?這當(dāng)然是向現(xiàn)代物理學(xué)和哲學(xué)的挑戰(zhàn)。
從50年代末到70年代初，廣義相對(duì)論經(jīng)典理論的研究也大大深化了，其中引人注目的是引力波的進(jìn)展。一開(kāi)始，對(duì)于廣義相對(duì)論是否存在引力波的問(wèn)題一直爭(zhēng)論不休，因?yàn)槿藗儺?dāng)時(shí)搞不清廣義相對(duì)論中的引力波會(huì)不會(huì)僅僅是一種坐標(biāo)效應(yīng)，這在很大程度上是對(duì)廣義相對(duì)性原理的不恰當(dāng)?shù)睦斫舛鸬摹?0年代初，人們弄清了在理論上的確存在引力波。引力波可以看作是以光速傳播的力場(chǎng)，它和電磁波在許多方面類似，和坐標(biāo)系的選擇毫無(wú)關(guān)系。由于引力波與物質(zhì)的相互作用十分微弱，這給探測(cè)引力波的工作帶來(lái)了很大的困難，用實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生引力波的困難尤為嚴(yán)重。美國(guó)馬里蘭大學(xué)韋伯(J．Weber)教授于1958年開(kāi)始進(jìn)行引力波的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)10余年的努力，曾宣布檢測(cè)到來(lái)自銀河系中心的引力波，但結(jié)果不十分可靠，目前尚無(wú)定論。美國(guó)的泰勒等人測(cè)出射電脈沖雙星PSRl913+16的公轉(zhuǎn)周期變短，測(cè)得周期變率為(－3.2±0.6)×10－12，并在20％的誤差范圍內(nèi)與廣義相對(duì)論輻射阻尼理論符合，這個(gè)結(jié)果可以看作是引力波存在的第一個(gè)間接的定量證據(jù)。1982年，他們又進(jìn)一步發(fā)展了減小誤差后的結(jié)果。不過(guò)，人們還希望利用多普勒跟蹤法或激光測(cè)距法觀測(cè)兩天體在引力波作用下間距的變化來(lái)直接探測(cè)引力波�，F(xiàn)在，美國(guó)航天局和歐洲航天局正在加速這方面的研究，并使測(cè)距精度大大提高(例如地球和月亮的距差為±5厘米)，其靈敏度Δl／l已達(dá)10－13～10－16，即便如此，還需把精度提高四個(gè)數(shù)量級(jí)才有可能探測(cè)到引力波。為此，歐美曾計(jì)劃在1985年發(fā)射兩艘深空間飛船（伽利略號(hào)和國(guó)際太陽(yáng)極任務(wù)號(hào)），屆時(shí)可望將測(cè)量精度提高到10－20。一旦引力波探測(cè)工作取得成功，就可以進(jìn)而研究引力波的性質(zhì)，從而就會(huì)判明那種度規(guī)理論對(duì)宏觀引力現(xiàn)象的描述更符合客觀事實(shí)。
由以上有關(guān)描繪也可以看出，引力問(wèn)題已處于一個(gè)充滿矛盾的新時(shí)期。雖然廣義相對(duì)論經(jīng)過(guò)一些實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，與其他理論相比可以看作是描述宏觀引力現(xiàn)象的一個(gè)較成功的理論，但它在處理某些極端條件下的問(wèn)題(黑洞、引力坍縮、奇點(diǎn)、宇觀優(yōu)越坐標(biāo)系、10－36秒之前的早期宇宙等)時(shí)，又表現(xiàn)出一定的局限性。因此，廣義相對(duì)論也是人們認(rèn)識(shí)發(fā)展過(guò)程中的相對(duì)真理，它也面臨著亟待改革的形勢(shì)。人們?yōu)榱私鉀Q四種作用力的統(tǒng)一描述和引力領(lǐng)域內(nèi)的各種矛盾問(wèn)題，正在已有的理論上發(fā)展引力規(guī)范理論和超引力理論。
關(guān)于統(tǒng)一場(chǎng)論，愛(ài)因斯坦從1923年起直到1955年去世，一直從幾何學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，企圖把電磁場(chǎng)和引力場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)(幾何統(tǒng)一場(chǎng)論)，但是沒(méi)有取得具有物理意義的成果。但是，在30年代和40年代，隨著弱相互作用、強(qiáng)相互作用以及各種基本粒子的大量發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)一場(chǎng)論又中興起來(lái)。50年代，海森伯不是從幾何學(xué)角度，而是從量子場(chǎng)論的角度出發(fā)，提出了一種量子統(tǒng)一場(chǎng)論，想用統(tǒng)一的自旋場(chǎng)把各種基本粒子和它們的相互作用都囊括進(jìn)去，也沒(méi)有獲得決定性的成功。1954年，楊振寧和米爾斯為統(tǒng)一場(chǎng)論開(kāi)辟了道路。他們推廣了魏耳的規(guī)范不變思想，提出了揚(yáng)-米爾斯場(chǎng)即非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)理論。這種理論與拓?fù)鋵W(xué)中的纖維叢概念有著密切的聯(lián)系，它雖然在數(shù)學(xué)上很完美，但在描述各種相互作用時(shí)卻遇到了困難。三年后，施溫格建議一種可能導(dǎo)致弱電統(tǒng)一理論的矢量介子理論。到60年代，電磁場(chǎng)理論已由20年代的非量子化的相對(duì)論性電動(dòng)力學(xué)發(fā)展成量子化的量子電動(dòng)力學(xué)(QED)，為統(tǒng)一場(chǎng)論的建立奠定丁理論基礎(chǔ)。1961年，施溫格的學(xué)生格拉肖發(fā)展了一種弱相互作用理論，它同電磁相互作用有驚人的相似之處，并采用四個(gè)生成元，即光子、W＋、W－粒子和中性流矢量玻色子，也就是現(xiàn)在的Z0粒子的SU(2)XU(1)群。1967年，溫伯格和薩拉姆分別獨(dú)立地采用這四個(gè)生成元發(fā)展了一種弱、電統(tǒng)一理論。這種統(tǒng)一理論解決了楊-米爾斯理論的困難，它后來(lái)被稱為量子味動(dòng)力學(xué)(QED)。70年代以來(lái)，不僅弱、電統(tǒng)一理論得到了一些實(shí)驗(yàn)的支持，而且描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)的出現(xiàn)也為統(tǒng)一強(qiáng)相互作用提供了可能性。在量子色動(dòng)力學(xué)中，強(qiáng)相互作用也是非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)，它存在于強(qiáng)子之間和之中，它的場(chǎng)源是色荷，規(guī)范變換群是SU(3)群，其規(guī)范粒子是膠子，強(qiáng)相互作用是膠（未完，下一頁(yè)）
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