一文读懂现代理论物理前沿在干什么_风闻

现代理论物理的前沿工作初步解决了一些问题，但也有很多问题依然存在，甚至还有新的问题不断产生。

撰文 | 项海波（国科大杭州高等研究院博士生）

任何一门学科，不管是关于自然的还是关于社会的，都旨在探寻它所关心的研究对象的形态、构成、演化及其背后的原因。作为一门自然科学，物理学所关心的研究对象，主要集中于自然界中最基本的那些，如力、热、电、光、粒子、黑洞、宇宙等等，而不局限于某个特定层次——也可以说是横跨大部分层次。也因此，物理学所得出的理论规律，尽管也许并不能直接为各层次的具体学科提供一个比较完整的描述——这有赖于对涌现 (emergence) 这一现象获得更深入的认知——但显然必定为它们所内在遵守。

图 1: 北爱尔兰巨人堤道是一种复杂涌现结构 | 图片来源：维基百科

作为物理学中最前沿的学科之一，量子场论 (QFT: quantum field theory) 以狭义相对论为时空框架，以量子力学为微观机制，以分析力学为给出多粒子体系力学量的主要语言，通过对相对论性场算符及其相关衍生物的构造，进而在规范原理、Higg 机制等基本原则的指导下，系统描述了人类当前所认知的具有不同性质的各种 (或大部分) 微观粒子及其间电磁、弱与强三种相互作用。在粒子物理学视角中，又常称量子场论对基本粒子及其相互作用所提供的这套描述理念与方案为粒子物理学的标准模型 (SM: Standard Model)。

表 1: 当前粒子物理标准模型所认定的基本粒子。粒子右上标代表其质量, 单位为 eV/c2。其中, 夸克：6 个 × 3 色 × 2 (正反) = 36；轻子：6 个 × 2 (正反) = 12；规范粒子：8 胶子 + 1 光子 + 1 Z 玻色子 + 2 W 玻色子 = 12；希格斯子：1；共 36 + 12 + 12 + 1 = 61 个。

作为在可实验验证意义上当前人类对世界规律认知的最前沿理论，量子场论可谓至广大而尽精微，不仅是物理学，也是所有自然科学，乃至整个人类精神创造中，最耀眼的果实，最巍峨的山峰之一。量子场论中最基本、最有特色的原理之一，是指导物质粒子与传递相互作用的粒子 (规范粒子) 如何进行耦合的规范原理 (gauge principle)。有鉴于此，当前量子场论可谓属于一种规范理论 (gauge theory)。由于杨振宁[1]等人首先将量子电动力学 (QED: Quantum Electrodynamics) 中描述电磁相互作用的 abelian 的 U(1) 规范对称性推广到 non-abelian 的 U(n) 规范对称性，进而为后来电磁相互作用与弱相互作用通过 Glashow-Weinberg-Salam 理论统一为电弱相互作用 (electroweak interaction) 以及描述夸克与胶子之间强相互作用的量子色动力学 (QCD: Quantum Chromodynamics) 的建立开辟了第一扇窗，故在 Yang 的思想上建立起来的 non-abelian 的规范理论也常被称为 Yang-Mills 理论。[注释1]

图2: 1949年，杨振宁、杨振平两兄弟和邓稼先在美国芝加哥大学的合影构丨图片来源: 维基百科

然而，宇宙怎么会以这么容易的方式让人类认识到他的真相呢！通过在星系团尺度上的天文观测以及对宇宙微波背景(CMB: Cosmic Microwave Background) 辐射的研究等一系列工作，人们有极大理由相信，在由广义相对论 (GR: General Relativity) 所描述的宇宙中，能为粒子物理学标准模型所描述的物质，只占当前宇宙物质总量的 4.9%，宇宙中尚有 26.8% 的物质 (极有可能) 不能为当前标准模型所描述。因为一般而言，这些不能被当前标准模型描述的物质被认为不参与电磁相互作用，故这部分物质被称为暗物质 (dark matter)。1998 年宇宙加速膨胀这一事实的确认进一步表明：宇宙中还应该存在占总能约 68.3% 的某种形式的能量为宇宙加速膨胀这一现象负责。这部分能量，称为暗能量 (dark energy) 。描述除了视界疑难与平坦性疑难等之外的其它大部分宇宙学观测现象 (如 CMB 辐射，大尺度结构，宇宙加速膨胀等) 的诸多理论的一个简洁而不失完备的整体集合，称为宇宙学标准模型(ΛCDM 模型)。现实世界中存在的很多为当前粒子物理标准模型所不能回答的问题，如质量形成机制、强CP问题、中微子振荡等等，连同为宇宙学标准模型所不能 (充分) 回答的问题，如暗物质暗能量相关问题、正反物质不对称问题、平坦性疑难、视界疑难等等，一般可以被统称为超越标准模型的物理学(BSM: Physics beyond the Standard Model)。

图3：自从大爆炸以来，宇宙持续不停地膨胀, 现更加速膨胀

为试图回答这些问题，人们做了诸多新的努力，如在量子场论中引入超对称 (SUSY: supersym- metry)，在广义相对论中引入修改引力 (modified gravity) ，在宇宙学中引入暴胀 (inflation)，等等。事实上，对于这些问题的回答，已涉及到量子理论与时空理论 (或引力理论/广义相对论) 的统一，即 量子引力 (quantum gravity) 这个问题。关于此，的确存在一个最有前景的候选者，即经过从 1968 年 至今这半个多世纪，一门被逐渐构建起来的叫做超弦理论 (supersting theory) 的学科。此理论的基本思想，是假设存在的基本对象不是零维的粒子，而是一维的弦 (string)。在此基础上，一系列新概念(现象) 纷纷涌现，如额外维、D-膜、弦论景观、全息原理、AdS/CFT 对偶[2]等等。总之，超弦理论以描述世界的一种全新图景，使人们感受到了看待世界的一种全新方式，让人目不暇接，惊叹不已。这在哲学上，已经可算是一次典型的范式迁移 (paradigm shift) 了。目前，这些工作都是理论物理学的最前沿；它们初步解决了一些问题，当然也有很多问题依然存在，甚至还有新的问题不断产生。这些，都值得有志于科学事业的人们奋起接力，持续探索。

图4：弦论所给出的宇宙图景

总而言之，人们知道得越多，就会发现不知道的更多；对浩瀚宇宙的神秘边界的探索，事实上更是对人类自身的想象力边界的探索。在追寻万物奥义的崎岖之路上，前人披荆斩棘，已开拓出一条曙光初见的小径，未来世界想必更加精彩，正待后来人毕力来行，再建奇功。行文至此，情不能已，故赋诗一首，兹录于下，以与诸君同励。

七律

一个科研探索者的秋夜望天

秋风此夜吹云散，九极澄明万里舒。

能量两分常与暗，银河一片密还疏。

凡人渐已知相对，宇宙何从问末初？

天上星为神创字，抬头览尽亿年书。

注释

[1] 当量子场论进入与规范对称性 (尤其是 non-abelian 规范对称性) 相关的那部分内容 (如量子色动力学) 时，英语世界中往往会用 gauge theory 来改称之，此时中文世界的对应称呼是规范场论。

参考文献

[1] Chen-Ning Yang and Robert L Mills. Conservation of isotopic spin and isotopic gauge invariance. Physical review, 96(1):191, 1954.

[2] Juan Maldacena. The large-n limit of superconformal field theories and supergravity. Interna- tional journal of theoretical physics, 38(4):1113–1133, 1999.

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