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寻找最简单的完美理论

寻找最简单的完美理论

  1月25日下午3时,中国科学院理论物理所报告厅,一场学术报告会正式开始——中国科学院大学副校长、理论物理所研究员吴岳良院士向大家报告了自己的最新成果——“超越拼搏在线爱因斯坦广义相对论的引力量子场论与量子暴涨宇宙”。

  听众大多是从事理论物理研究的专家,吴岳良的报告时不时被提问打断,最后的问答环节差一点儿就“刹不住车”,用主持人的话说:“我们最好能把演讲者问倒!”两个小时下来,吴岳良的头发汗湿了,贴在前额上。可很多专家还意犹未尽,约好了下次讨论的时间。

  吴岳良介绍:“自然界有四种基本相互作用力:万有引拼搏在线力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力。1905年爱因斯坦提出了狭义相对论,时间与空间不再是独立的。基于狭义相对论与量子力学,理论物理学家用四维时空协变的数学形式描述了强、弱和电磁三种基本相互作用力。1915年爱因斯坦推广狭义相对论创立了广义相对论,用以描述引力与时空几何的联系。”

  量子力学发展起来后,科学家们将狭义相对论与量子力学成功统一,建立了量子场论。基于量子场论建立的粒子物理标准模型,成功地描述了强、弱和电磁三种基本相互作用力。但广义相对论却无法与量子力学统一起来,几十年来,这个问题一直困扰着物理学家。而能否将广义相对论与量子力学统一起来,对解决宇宙起源与演化等问题非常重要。

  能够统一描述自然界四种最基本的相互作用力,这将是一个多么简单而完美的理论!全世界的理论物理学家为此付出了巨大努力。“我们坚信会有这样一种理论。”吴岳良给记者讲了一个物理学家费米的故事——费米在做对撞机实验时,他的学生向他抱怨发现的粒子太多,实在记不住。费米对他的学生说,那就不要记,自然界总有一种更简单的方法记录它们。“后来果然发现了夸克,所有粒子都是由夸克组成的。”吴岳良说,大千世界有各种各样的现象,“我们做理论物理的,就是要找到能概括所有实验现象的自然界的最基本规律,用数学语言定量地描述出来,并用以预言、指导以后可能出现的现象。”

  现在,吴岳良迈出了重要一步。“我认为如果再沿着爱因斯坦的路走下去,肯定还得不到答案。因此,我们需要创新,需要另辟蹊径。”他从量子场论出发,提出了“引力拼搏在线量子场论”。根据目前的研究进展,这一理论可在量子场论的框架下统一描述四种基本相互作用力,并能够兼容广义相对论——导出含有引力场效应的所有量子场运动方程和所有基本对称性对应的守恒定律。

  寻找“简单”的过程却是复杂的。35页的论文,吴岳良写了一年多,《物理评论》杂志审稿就花了半年时间。而吴岳良对这个问题的思考,从20多年前就开始了,甚至可以回溯到他在南京大学读书时。那时,吴岳良选修了“广义相对论”课,期末老师以撰写学习报告的形式进行考试,他写了一篇关于普朗克质量的小黑洞问题,得了“优”。他笑言:“现在回想起来,或许从那时开始,这个问题就在我心里生根了。”当被问到会不会觉得太枯燥、乏味时,吴岳良笑了:“能够揭示大自然的奥秘,你不觉得兴奋吗?而我,非常享受这个过程。”

  理论需要验证,十年、二十年,甚至更长。吴岳良说,他接下来将继续研究,也期待着同行和实验物理学家对理论的检验,“如果真有人能指出我的问题,我会非常高兴。这世界上没有‘完美’的理论,但通过不断修正,我们能无限接近最简单的‘完美’。”

  (原载于《光明日报》 2016-01-27 06版)