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近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員吳岳良在“彭桓武前沿科學(xué)論壇”上講述了一場(chǎng)既浪漫又“燒腦”的報(bào)告《超統(tǒng)一場(chǎng)論的基礎(chǔ)——宇宙和物質(zhì)起源與時(shí)空和引力本質(zhì)》，反響熱烈。

100年前，“統(tǒng)一場(chǎng)論”的理念被提出，偉大的物理學(xué)家愛因斯坦花費(fèi)了后半生幾乎所有的時(shí)間，試圖在經(jīng)典場(chǎng)論框架內(nèi)統(tǒng)一引力與電磁力，盡管未能取得成功，但“統(tǒng)一場(chǎng)論”的理念一直延續(xù)至今。

時(shí)至今日，“統(tǒng)一場(chǎng)論”已成為理論物理學(xué)家和數(shù)學(xué)物理家所追求的夢(mèng)想。

1996年，吳岳良回國(guó)后與周光召開始共同研究大一統(tǒng)理論。次年，他們?cè)凇吨袊?guó)科學(xué)》雜志發(fā)表了題為《對(duì)所有基本力的一種可能的統(tǒng)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(tǒng)一場(chǎng)論，但在走向大一統(tǒng)的路上仍存在諸多挑戰(zhàn)和謎題。

隨著人們對(duì)量子理論和相對(duì)論的深入研究與發(fā)展，如何在以量子力學(xué)和狹義相對(duì)論成功結(jié)合而建立的量子場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)模型，與描述引力相互作用的愛因斯坦廣義相對(duì)論自洽地協(xié)調(diào)和統(tǒng)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(gè)重大科學(xué)問題。

吳岳良從人類對(duì)于極小量子粒子與極大膨脹宇宙的認(rèn)知講起。他指出，根據(jù)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，唯一尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)的只剩下傳遞引力相互作用的引力子，與此同時(shí)，95%的引力宇宙（暗物質(zhì)+暗能量）尚未認(rèn)識(shí)。

愛因斯坦1915年創(chuàng)立的廣義相對(duì)論無疑是人類認(rèn)識(shí)宇宙征途中的一大成功，并起著極大的推動(dòng)作用。

愛因斯坦的幾何引力方程組（10個(gè)）奠定了經(jīng)典引力理論的基礎(chǔ)。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(guī)律還沒有完全沖破經(jīng)典物理，仍以經(jīng)典理論為主導(dǎo)，人們還不知道電子作為一種量子場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是什么。量子力學(xué)和量子場(chǎng)論尚未建立起來。

“那個(gè)時(shí)代，引力場(chǎng)是用彎曲時(shí)空的幾何動(dòng)力學(xué)來描述的，我們可以想象任何物理現(xiàn)象和物理實(shí)驗(yàn)總是要受當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件和已知物理規(guī)律的局限。”吳岳良說。

吳岳良表示，從愛因斯坦“統(tǒng)一場(chǎng)論”的思想中，我們有所啟發(fā)：愛因斯坦探索“統(tǒng)一場(chǎng)論”受當(dāng)時(shí)人們對(duì)物質(zhì)基本組元和深層結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的局限。廣義相對(duì)論刻畫的引力由坐標(biāo)時(shí)空的對(duì)稱性支配，而電磁相互作用由物質(zhì)基本組元的內(nèi)部規(guī)范對(duì)稱性支配。僅從時(shí)空和幾何出發(fā)，沿著純時(shí)空和幾何學(xué)方向探索“統(tǒng)一場(chǎng)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(shí)空對(duì)稱性與基本物質(zhì)場(chǎng)的內(nèi)部對(duì)稱性統(tǒng)一起來。而此定理一直影響著由時(shí)空幾何對(duì)稱性支配的愛因斯坦廣義相對(duì)論與由基本物質(zhì)場(chǎng)的內(nèi)部規(guī)范對(duì)稱性支配的電、弱、強(qiáng)三種基本相互作用力之間建立的“統(tǒng)一理論”。

基于過去的啟示和挑戰(zhàn)，吳岳良提出了建立在量子場(chǎng)論框架下的超統(tǒng)一場(chǎng)論。

“突破‘此路不通定理’，在19維超時(shí)空中建立完整的超統(tǒng)一場(chǎng)論，不僅把所有已發(fā)現(xiàn)的輕子和夸克統(tǒng)一到超統(tǒng)一量子比特旋量場(chǎng)中，而且把所有已知的基本力統(tǒng)一到由非齊次超自旋規(guī)范對(duì)稱性支配的超統(tǒng)一規(guī)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(tǒng)一場(chǎng)論的基礎(chǔ)——基本構(gòu)造塊和對(duì)稱性與基本相互作用和宇宙演化》的專著，獻(xiàn)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(duì)論和量子力學(xué)不可調(diào)和的矛盾找到了一條解決途徑，同時(shí)為統(tǒng)一所有基本粒子和相互作用找到一個(gè)理論。那么，如何檢驗(yàn)這條路線呢？

空間引力波探測(cè)提供了一條途徑。2016年，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）宣布探測(cè)到了雙黑洞合并事件的引力波。同年，中國(guó)科學(xué)院宣布我國(guó)實(shí)施引力波空間探測(cè)計(jì)劃——“太極計(jì)劃”，該計(jì)劃最早可追溯到2008年，由胡文瑞組織我國(guó)科學(xué)家進(jìn)行的研討和論證。目前，由吳岳良擔(dān)任首席科學(xué)家的“太極計(jì)劃”已規(guī)劃好三步走發(fā)展路線圖，計(jì)劃到2032年前后“太極三號(hào)”發(fā)射升空，實(shí)現(xiàn)探測(cè)各種引力波天體源及認(rèn)知引力宇宙。

吳岳良指出，空間引力波探測(cè)的研究對(duì)象囊括了由近到遠(yuǎn)、由小到大極為豐富的引力波源，探測(cè)的范圍覆蓋幾乎整個(gè)宇宙空間。目前“太極二號(hào)”已完成方案認(rèn)證，也完成了關(guān)鍵技術(shù)地面攻關(guān)。

講座最后，吳岳良特別講述了理論物理、科學(xué)革命與工業(yè)革命密不可分的聯(lián)系，他表示，理論物理是基礎(chǔ)科學(xué)之基礎(chǔ)。世界科技史表明，一旦基礎(chǔ)科學(xué)研究使得科學(xué)理論獲得根本性的重大突破，必將導(dǎo)致科學(xué)革命，并促進(jìn)多學(xué)科的交叉融合和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的創(chuàng)新，引發(fā)變革性技術(shù)和顛覆性技術(shù)的涌現(xiàn)，點(diǎn)燃相應(yīng)的工業(yè)革命。

“暗物質(zhì)和暗能量被認(rèn)為是21世紀(jì)物理學(xué)存在的兩朵‘大烏云’，廣義相對(duì)論與量子力學(xué)的結(jié)合是21世紀(jì)物理學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)和機(jī)遇。”在吳岳良看來，宇宙物理的突破將引發(fā)21世紀(jì)物理學(xué)又一次革命性突破，促進(jìn)人們對(duì)引力本質(zhì)、時(shí)空結(jié)構(gòu)、物質(zhì)起源和宇宙起源等的重新認(rèn)識(shí)。

“前三次科學(xué)革命都啟示理論物理起到了基礎(chǔ)科學(xué)之基礎(chǔ)的重要作用。在新科技革命的前夜，理論物理研究應(yīng)為新理論的建立和發(fā)展發(fā)揮應(yīng)有的重要作用。”吳岳良呼吁。

來源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》