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近日，中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所研究員吳岳良在“彭桓武前沿科學論壇”上講述了一場既浪漫又“燒腦”的報告《超統一場論的基礎——宇宙和物質起源與時空和引力本質》，反響熱烈。
100年前，“統一場論”的理念被提出，偉大的物理學家愛因斯坦花費了后半生幾乎所有的時間，試圖在經典場論框架內統一引力與電磁力，盡管未能取得成功，但“統一場論”的理念一直延續至今。
時至今日，“統一場論”已成為理論物理學家和數學物理家所追求的夢想。
1996年，吳岳良回國后與周光召開始共同研究大一統理論。次年，他們在《中國科學》雜志發表了題為《對所有基本力的一種可能的統一模型》的研究論文，這是他們最初的想法。
20多年來，吳岳良提出了超統一場論，但在走向大一統的路上仍存在諸多挑戰和謎題。
隨著人們對量子理論和相對論的深入研究與發展，如何在以量子力學和狹義相對論成功結合而建立的量子場論的理論框架下，將描述自然界三種基本相互作用的粒子物理標準模型，與描述引力相互作用的愛因斯坦廣義相對論自洽地協調和統一起來？
這是從量子到宇宙的“量子-宇宙物理”研究亟須回答和解決的一個重大科學問題。
吳岳良從人類對于極小量子粒子與極大膨脹宇宙的認知講起。他指出，根據粒子物理標準模型，唯一尚未得到實驗證實的只剩下傳遞引力相互作用的引力子，與此同時，95%的引力宇宙（暗物質+暗能量）尚未認識。
愛因斯坦1915年創立的廣義相對論無疑是人類認識宇宙征途中的一大成功，并起著極大的推動作用。
愛因斯坦的幾何引力方程組（10個）奠定了經典引力理論的基礎。盡管1905年愛因斯坦提出了光量子，1913年玻爾基于量子概念提出了原子模型，不過，基本物理規律還沒有完全沖破經典物理，仍以經典理論為主導，人們還不知道電子作為一種量子場的運動規律是什么。量子力學和量子場論尚未建立起來。
“那個時代，引力場是用彎曲時空的幾何動力學來描述的，我們可以想象任何物理現象和物理實驗總是要受當時實驗條件和已知物理規律的局限。”吳岳良說。
吳岳良表示，從愛因斯坦“統一場論”的思想中，我們有所啟發：愛因斯坦探索“統一場論”受當時人們對物質基本組元和深層結構認識的局限。廣義相對論刻畫的引力由坐標時空的對稱性支配，而電磁相互作用由物質基本組元的內部規范對稱性支配。僅從時空和幾何出發，沿著純時空和幾何學方向探索“統一場論”是走不通的。
首先在概念上就遇到了困難。正如“NO-GO Theorem”（此路不通定理）所表明的，不可能把時空對稱性與基本物質場的內部對稱性統一起來。而此定理一直影響著由時空幾何對稱性支配的愛因斯坦廣義相對論與由基本物質場的內部規范對稱性支配的電、弱、強三種基本相互作用力之間建立的“統一理論”。
基于過去的啟示和挑戰，吳岳良提出了建立在量子場論框架下的超統一場論。
“突破‘此路不通定理’，在19維超時空中建立完整的超統一場論，不僅把所有已發現的輕子和夸克統一到超統一量子比特旋量場中，而且把所有已知的基本力統一到由非齊次超自旋規范對稱性支配的超統一規范相互作用中。”吳岳良解釋說。
最近，吳岳良將自己的研究成果整理成題為《超統一場論的基礎——基本構造塊和對稱性與基本相互作用和宇宙演化》的專著，獻給恩師周光召和彭桓武這兩位理論物理前輩。
這為解決廣義相對論和量子力學不可調和的矛盾找到了一條解決途徑，同時為統一所有基本粒子和相互作用找到一個理論。那么，如何檢驗這條路線呢？
空間引力波探測提供了一條途徑。2016年，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布探測到了雙黑洞合并事件的引力波。同年，中國科學院宣布我國實施引力波空間探測計劃——“太極計劃”，該計劃最早可追溯到2008年，由胡文瑞組織我國科學家進行的研討和論證。目前，由吳岳良擔任首席科學家的“太極計劃”已規劃好三步走發展路線圖，計劃到2032年前后“太極三號”發射升空，實現探測各種引力波天體源及認知引力宇宙。
吳岳良指出，空間引力波探測的研究對象囊括了由近到遠、由小到大極為豐富的引力波源，探測的范圍覆蓋幾乎整個宇宙空間。目前“太極二號”已完成方案認證，也完成了關鍵技術地面攻關。
講座最后，吳岳良特別講述了理論物理、科學革命與工業革命密不可分的聯系，他表示，理論物理是基礎科學之基礎。世界科技史表明，一旦基礎科學研究使得科學理論獲得根本性的重大突破，必將導致科學革命，并促進多學科的交叉融合和應用基礎研究的創新，引發變革性技術和顛覆性技術的涌現，點燃相應的工業革命。
“暗物質和暗能量被認為是21世紀物理學存在的兩朵‘大烏云’，廣義相對論與量子力學的結合是21世紀物理學面臨的重大挑戰和機遇。”在吳岳良看來，宇宙物理的突破將引發21世紀物理學又一次革命性突破，促進人們對引力本質、時空結構、物質起源和宇宙起源等的重新認識。
“前三次科學革命都啟示理論物理起到了基礎科學之基礎的重要作用。在新科技革命的前夜，理論物理研究應為新理論的建立和發展發揮應有的重要作用。”吳岳良呼吁。
來源：《中國科學報》
