一文讀懂現代理論物理前沿在幹什麼_風聞

現代理論物理的前沿工作初步解決了一些問題，但也有很多問題依然存在，甚至還有新的問題不斷產生。

撰文 | 項海波（國科大杭州高等研究院博士生）

任何一門學科，不管是關於自然的還是關於社會的，都旨在探尋它所關心的研究對象的形態、構成、演化及其背後的原因。作為一門自然科學，物理學所關心的研究對象，主要集中於自然界中最基本的那些，如力、熱、電、光、粒子、黑洞、宇宙等等，而不侷限於某個特定層次——也可以説是橫跨大部分層次。也因此，物理學所得出的理論規律，儘管也許並不能直接為各層次的具體學科提供一個比較完整的描述——這有賴於對湧現 (emergence) 這一現象獲得更深入的認知——但顯然必定為它們所內在遵守。

圖 1: 北愛爾蘭巨人堤道是一種複雜湧現結構 | 圖片來源：維基百科

作為物理學中最前沿的學科之一，量子場論 (QFT: quantum field theory) 以狹義相對論為時空框架，以量子力學為微觀機制，以分析力學為給出多粒子體系力學量的主要語言，通過對相對論性場算符及其相關衍生物的構造，進而在規範原理、Higg 機制等基本原則的指導下，系統描述了人類當前所認知的具有不同性質的各種 (或大部分) 微觀粒子及其間電磁、弱與強三種相互作用。在粒子物理學視角中，又常稱量子場論對基本粒子及其相互作用所提供的這套描述理念與方案為粒子物理學的標準模型 (SM: Standard Model)。

表 1: 當前粒子物理標準模型所認定的基本粒子。粒子右上標代表其質量, 單位為 eV/c2。其中, 夸克：6 個 × 3 色 × 2 (正反) = 36；輕子：6 個 × 2 (正反) = 12；規範粒子：8 膠子 + 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 個。

作為在可實驗驗證意義上當前人類對世界規律認知的最前沿理論，量子場論可謂至廣大而盡精微，不僅是物理學，也是所有自然科學，乃至整個人類精神創造中，最耀眼的果實，最巍峨的山峯之一。量子場論中最基本、最有特色的原理之一，是指導物質粒子與傳遞相互作用的粒子 (規範粒子) 如何進行耦合的規範原理 (gauge principle)。有鑑於此，當前量子場論可謂屬於一種規範理論 (gauge theory)。由於楊振寧[1]等人首先將量子電動力學 (QED: Quantum Electrodynamics) 中描述電磁相互作用的 abelian 的 U(1) 規範對稱性推廣到 non-abelian 的 U(n) 規範對稱性，進而為後來電磁相互作用與弱相互作用通過 Glashow-Weinberg-Salam 理論統一為電弱相互作用 (electroweak interaction) 以及描述夸克與膠子之間強相互作用的量子色動力學 (QCD: Quantum Chromodynamics) 的建立開闢了第一扇窗，故在 Yang 的思想上建立起來的 non-abelian 的規範理論也常被稱為 Yang-Mills 理論。[註釋1]

圖2: 1949年，楊振寧、楊振平兩兄弟和鄧稼先在美國芝加哥大學的合影構丨圖片來源: 維基百科

然而，宇宙怎麼會以這麼容易的方式讓人類認識到他的真相呢！通過在星系團尺度上的天文觀測以及對宇宙微波背景(CMB: Cosmic Microwave Background) 輻射的研究等一系列工作，人們有極大理由相信，在由廣義相對論 (GR: General Relativity) 所描述的宇宙中，能為粒子物理學標準模型所描述的物質，只佔當前宇宙物質總量的 4.9%，宇宙中尚有 26.8% 的物質 (極有可能) 不能為當前標準模型所描述。因為一般而言，這些不能被當前標準模型描述的物質被認為不參與電磁相互作用，故這部分物質被稱為暗物質 (dark matter)。1998 年宇宙加速膨脹這一事實的確認進一步表明：宇宙中還應該存在佔總能約 68.3% 的某種形式的能量為宇宙加速膨脹這一現象負責。這部分能量，稱為暗能量 (dark energy) 。描述除了視界疑難與平坦性疑難等之外的其它大部分宇宙學觀測現象 (如 CMB 輻射，大尺度結構，宇宙加速膨脹等) 的諸多理論的一個簡潔而不失完備的整體集合，稱為宇宙學標準模型(ΛCDM 模型)。現實世界中存在的很多為當前粒子物理標準模型所不能回答的問題，如質量形成機制、強CP問題、中微子振盪等等，連同為宇宙學標準模型所不能 (充分) 回答的問題，如暗物質暗能量相關問題、正反物質不對稱問題、平坦性疑難、視界疑難等等，一般可以被統稱為超越標準模型的物理學(BSM: Physics beyond the Standard Model)。

圖3：自從大爆炸以來，宇宙持續不停地膨脹, 現更加速膨脹

為試圖回答這些問題，人們做了諸多新的努力，如在量子場論中引入超對稱 (SUSY: supersym- metry)，在廣義相對論中引入修改引力 (modified gravity) ，在宇宙學中引入暴脹 (inflation)，等等。事實上，對於這些問題的回答，已涉及到量子理論與時空理論 (或引力理論/廣義相對論) 的統一，即 量子引力 (quantum gravity) 這個問題。關於此，的確存在一個最有前景的候選者，即經過從 1968 年 至今這半個多世紀，一門被逐漸構建起來的叫做超弦理論 (supersting theory) 的學科。此理論的基本思想，是假設存在的基本對象不是零維的粒子，而是一維的弦 (string)。在此基礎上，一系列新概念(現象) 紛紛湧現，如額外維、D-膜、弦論景觀、全息原理、AdS/CFT 對偶[2]等等。總之，超弦理論以描述世界的一種全新圖景，使人們感受到了看待世界的一種全新方式，讓人目不暇接，驚歎不已。這在哲學上，已經可算是一次典型的範式遷移 (paradigm shift) 了。目前，這些工作都是理論物理學的最前沿；它們初步解決了一些問題，當然也有很多問題依然存在，甚至還有新的問題不斷產生。這些，都值得有志於科學事業的人們奮起接力，持續探索。

圖4：弦論所給出的宇宙圖景

總而言之，人們知道得越多，就會發現不知道的更多；對浩瀚宇宙的神秘邊界的探索，事實上更是對人類自身的想象力邊界的探索。在追尋萬物奧義的崎嶇之路上，前人披荊斬棘，已開拓出一條曙光初見的小徑，未來世界想必更加精彩，正待後來人畢力來行，再建奇功。行文至此，情不能已，故賦詩一首，茲錄於下，以與諸君同勵。

七律

一個科研探索者的秋夜望天

秋風此夜吹雲散，九極澄明萬里舒。

能量兩分常與暗，銀河一片密還疏。

凡人漸已知相對，宇宙何從問末初？

天上星為神創字，抬頭覽盡億年書。

註釋

[1] 當量子場論進入與規範對稱性 (尤其是 non-abelian 規範對稱性) 相關的那部分內容 (如量子色動力學) 時，英語世界中往往會用 gauge theory 來改稱之，此時中文世界的對應稱呼是規範場論。

參考文獻

[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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