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吴岳良院士:新科技革命离不开理论物理

文章来源: 发布时间: 2023-03-30 【字体:      

  

吴岳良院士

     “非常有趣,我有很多很多问题!”“入场券1000元也值得”……

  近日,中国科学院院士、ld体育网页端 研究员吴岳良在“彭桓武前沿科学论坛”上讲述了一场既浪漫又“烧脑”的报告《超统一场论的基础——宇宙和物质起源与时空和引力本质》,反响热烈。

  100年前,“统一场论”的理念被提出,伟大的物理学家爱因斯坦花费了后半生几乎所有的时间,试图在经典场论框架内统一引力与电磁力,尽管未能取得成功,但“统一场论”的理念一直延续至今。

  时至今日,“统一场论”已成为理论物理学家和数学物理家所追求的梦想。

  1996年,吴岳良回国后与周光召开始共同研究大一统理论。次年,他们在《中国科学》杂志发表了题为《对所有基本力的一种可能的统一模型》的研究论文,这是他们最初的想法。

  20多年来,吴岳良提出了超统一场论,但在走向大一统的路上仍存在诸多挑战和谜题。

  随着人们对量子理论和相对论的深入研究与发展,如何在以量子力学和狭义相对论成功结合而建立的量子场论的理论框架下,将描述自然界三种基本相互作用的粒子物理标准模型,与描述引力相互作用的爱因斯坦广义相对论自洽地协调和统一起来?

  这是从量子到宇宙的“量子-宇宙物理”研究亟须回答和解决的一个重大科学问题。

  吴岳良从人类对于极小量子粒子与极大膨胀宇宙的认知讲起。他指出,根据粒子物理标准模型,唯一尚未得到实验证实的只剩下传递引力相互作用的引力子,与此同时,95%的引力宇宙(暗物质+暗能量)尚未认识。

  爱因斯坦1915年创立的广义相对论无疑是人类认识宇宙征途中的一大成功,并起着极大的推动作用。

  爱因斯坦的几何引力方程组(10个)奠定了经典引力理论的基础。尽管1905年爱因斯坦提出了光量子,1913年玻尔基于量子概念提出了原子模型,不过,基本物理规律还没有完全冲破经典物理,仍以经典理论为主导,人们还不知道电子作为一种量子场的运动规律是什么。量子力学和量子场论尚未建立起来。

  “那个时代,引力场是用弯曲时空的几何动力学来描述的,我们可以想象任何物理现象和物理实验总是要受当时实验条件和已知物理规律的局限。”吴岳良说。

  吴岳良表示,从爱因斯坦“统一场论”的思想中,我们有所启发:爱因斯坦探索“统一场论”受当时人们对物质基本组元和深层结构认识的局限。广义相对论刻画的引力由坐标时空的对称性支配,而电磁相互作用由物质基本组元的内部规范对称性支配。仅从时空和几何出发,沿着纯时空和几何学方向探索“统一场论”是走不通的。

  首先在概念上就遇到了困难。正如“NO-GO Theorem”(此路不通定理)所表明的,不可能把时空对称性与基本物质场的内部对称性统一起来。而此定理一直影响着由时空几何对称性支配的爱因斯坦广义相对论与由基本物质场的内部规范对称性支配的电、弱、强三种基本相互作用力之间建立的“统一理论”。

  基于过去的启示和挑战,吴岳良提出了建立在量子场论框架下的超统一场论。

  “突破‘此路不通定理’,在19维超时空中建立完整的超统一场论,不仅把所有已发现的轻子和夸克统一到超统一量子比特旋量场中,而且把所有已知的基本力统一到由非齐次超自旋规范对称性支配的超统一规范相互作用中。”吴岳良解释说。

  最近,吴岳良将自己的研究成果整理成题为《超统一场论的基础——基本构造块和对称性与基本相互作用和宇宙演化》的专著,献给恩师周光召和彭桓武这两位理论物理前辈。

  这为解决广义相对论和量子力学不可调和的矛盾找到了一条解决途径,同时为统一所有基本粒子和相互作用找到一个理论。那么,如何检验这条路线呢?

  空间引力波探测提供了一条途径。2016年,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布探测到了双黑洞合并事件的引力波。同年,中国科学院宣布我国实施引力波空间探测计划——“太极计划”,该计划最早可追溯到2008年,由胡文瑞组织我国科学家进行的研讨和论证。目前,由吴岳良担任首席科学家的“太极计划”已规划好三步走发展路线图,计划到2032年前后“太极三号”发射升空,实现探测各种引力波天体源及认知引力宇宙。

  吴岳良指出,空间引力波探测的研究对象囊括了由近到远、由小到大极为丰富的引力波源,探测的范围覆盖几乎整个宇宙空间。目前“太极二号”已完成方案认证,也完成了关键技术地面攻关。

  讲座最后,吴岳良特别讲述了理论物理、科学革命与工业革命密不可分的联系,他表示,理论物理是基础科学之基础。世界科技史表明,一旦基础科学研究使得科学理论获得根本性的重大突破,必将导致科学革命,并促进多学科的交叉融合和应用基础研究的创新,引发变革性技术和颠覆性技术的涌现,点燃相应的工业革命。

  “暗物质和暗能量被认为是21世纪物理学存在的两朵‘大乌云’,广义相对论与量子力学的结合是21世纪物理学面临的重大挑战和机遇。”在吴岳良看来,宇宙物理的突破将引发21世纪物理学又一次革命性突破,促进人们对引力本质、时空结构、物质起源和宇宙起源等的重新认识。

  “前三次科学革命都启示理论物理起到了基础科学之基础的重要作用。在新科技革命的前夜,理论物理研究应为新理论的建立和发展发挥应有的重要作用。”吴岳良呼吁。

(原载于《中国科学报》 2023-03-29 第3版 领域)
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