什么是超玄理论”?为什么我都不知道!

在过去的一百多年里,物理学家已经发现了一连串越来越小和越来越基本的物质组成单元。这些研究成果最终被总结成为标准模型:轻子(象电子和中微子)、夸克以及将这些粒子捆绑在一起的电磁力、弱相互作用力。但是,标准模型并不是故事的结局,因为它实在是太复杂了,它本身并不能解释一个比元素周期表还要复杂的基本粒子表以及它们之间的相互用力。

现在,弦理论家们普遍相信标准模型中的基本粒子实际上都是一些小而又小的振动的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦),所有粒子都可由闭弦的不同振动和运动来得到,从本质上讲,所有的粒子都是质地相同的弦。这一听似奇怪的想法能够解释标准模型的许多粗旷轮廓和特性,但是在决定性实验验证弦理论之前,人们仍然有必要对它进行更深刻的认识和了解。

量子力学和广义相对论是二十世纪两个非常成功的理论,但令人惊讶的是这两个理论在现有的框架下是相冲突的。简单说来,量子力学认为没有任何东西是静止不动的,任何东西都有起伏涨落(测不准原理)。广义相对论认为时空是弯曲的,弯曲时空是万有引力的起源。将这两个理论结合就可以导出时空本身也是每时每刻都在经历着量子的起伏涨落。在大多数情况下,这些涨落是很小很小的,但在一些极端情况下,比如说在极短距离下、在黑洞的视界附近,在大爆炸的初始时刻等等,这些量子涨落将变得非常重要。在这些情况下,我们现有的理论(量子力学和广义相对论)是不适用的,只能得到一些结果为无穷大荒谬结论。很显然,我们需要一个更完备的理论。

令人惊讶的是,从粒子物理学中发展起来的弦理论提供了这一问题的答案。在弦理论中,由于弦的延展性(一维而不是一个点),引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义,时空量子泡沬由“弦几何”代替了。现在,用弦理论已经解决了有关黑洞量子力学问题的一些疑难。如何用弦理论来说明宇宙大爆炸的初始奇点仍然是一个没有解决的大问题。

宇宙学告诉我们,我们肉眼看到的三个空间维数正在膨胀,由此可以推测它们曾经是很小和高度弯曲的。一个自然的可能性是;也许存在与我们观测到的三个空间维数垂直的其它空间维数,这些额外空间维数曾经是但现在仍然是很小和高度弯曲的。如果这些维数的尺度是够小,以我们现有的观测手段仍不是以直接推测到,但是这些维数仍将以许多间接的效应表现出来。

特别地,这是一个强有力的统一观念:在低维中观测到的不同粒子也可能是同一种粒子,在额外维数空间中,它们都是同一粒子不同方向的运动的表现。实际上,额外维数还是弦理论不可分割的一部分:弦理论的数学方程要求空间是9维的,再加上时间维度总共是10维时空。更进一步的研究表明,由M理论给出的更完全的认识揭示了弦理论的第10维空间方向,因此理论的最大维数是11维。最近的一些发展还提出了我们也许生活在低维的膜上面,但是引力仍然是10维的,为了得到现实的3维引力,可以通过引入“影子膜”或者Randall-Sundrum机制。Randall-Sundrum机制是一种束缚引力的新方法,这时,额外维度可以不是很小很小的。通过观测小距离情况下引力对平方反比定律的偏离,或者是在粒子加速上或者是通过超新星爆发中产生的粒子散射进入额外维度因而看起来象消失一样等等奇怪的现象,也许我们现在就有能力探测到这些额外维度。弦理论不仅大大地拓展了人们的思维空间,将大大地拓展人们的活动空间。

爱因斯坦在生命的最后30年里一直在寻找统一场论——一个能在单独的包罗万象的协和的数学框架下描写自然界所有力的理论。爱因斯坦这样做的动机不是我们常想的那些与科学研究紧密相关的东西,例如,为了解释这样或那样的已知现象或实验数据。实际上,驱使他的是一种关于自然界基本规律内在美的信念:对宇宙的最深刻认识将揭示它的最真实秘密,那就是,它所依赖的原理是简单而有力的。爱因斯坦渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘,由此而展示的自然界的动人美丽和优雅,将让每一个第一次知道的人产生有生以来最强烈的敬畏、惊讶和震撼。

爱因斯坦从未实现他的梦,主要原因是当时人们对自然界的许多基本特征还是未知的,或者知之甚少。但在过去的半个世纪,人们已构筑起越来越完整的有关自然界的理论。当年,爱因斯坦满怀热情追求统一理论,却空手归来,如今,相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架,有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体——一个单一的理论,一个能描述一切现象的理论,这就是超弦理论“2006年国际弦理论会议”的主题。

弦理论或者超弦理论是那些像量子和夸克等等已经融入大众词典的诸多新科学专用词汇之一,但它们却很少能被人解释清楚。即使会议的参加者也会告诉你,超弦理论像许多新兴科学和研究领域一样,涉及了许多高深前沿的数学领域,并不是很容易能把握的。超弦理论到底是什么呢?首先,我们发现,弦理论描述自然界的活动还真有几分科学幻想的成分。举例来说,弦理论描述的世界并不是我们肉眼所看到的三维空间和一维时间。合理的解释是那些额外的空间维数没有被观测到是因为它们很小很小。要理解弦理论的高维属性并不困难。(参见《宇宙的琴弦》P.180~181)

在弦理论中就有许多极小的额外空间维数,因此,微观世界并不像我们普遍感觉到的世界那么简单。在宏观尺度上,弦理论也可能用来解释宇宙大爆炸的开始和黑洞内部的行为,而这些问题是以前的物理理论包括爱因斯坦的广义相对论都失效的地方。现在发展的弦理论是有关时间和空间的量子理论,因而此理论看起来也就显得非常非常的奇怪。

弦理论的一个基本观点就是自然界的基本单元不是像电子、光子、中微子和夸克等等这样的粒子,这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦),闭弦的不同振动和运动就给出这些不同的基本粒子。因此弦理论从一些非常基本和简单的单元就能得到宇宙的无穷变化和复杂性。在弦理论中,人们自然地可以得到规范对称性、超对称性和引力,而这些原理在原有的标准模型中或者是强加进去的或者是与量子理论相冲突的,在弦理论中它们都协和地统一起来了,并且是彼此需要、独一无二的。

到现在为止还没有人观测到基本的弦。但正如多数参加“2006年国际弦理论会议”的人所相信的那样,如果弦是真实的,那么由爱因斯坦开创的广义相对论和量子理论的完美结合就不是遥遥无期的奢望了。

如果说超弦理论的第一次革命统一了量子力学和广义相对论,那么近年来发生的弦理论的第二次革命则统一了五种不同的弦理论和十一维超引力,预言了一个更大的M理论的存在,揭示了相互作用和时空的一些本质,并暗示了时间和空间并不是最基本的,而是从一些更基本的量导出或演化形成的。M理论如果成功,那将会是一场人类对时空概念、时空维数等认识的革命,其深刻程度不亚于上个世纪的两场物理学革命。

从科学研究本身看,研究引力的量子化及其与其他互相作用力的统一是自爱因斯坦以来国际著名物理学家的梦想,但由于该理论涉及的能量极高,不能进行直接实验验证。尽管如此,一些技术和方法的发展,启发了很多新的物理思想,如解决能量等级问题的Randall-Sundrum模型和引力局域化,关于弦理论巨量可能真空的图景想法和人择原理等等。

近期天文和宇宙学观察所取得的进展对弦理论的发展会起积极的促进作用。比如,近期观察的宇宙加速膨胀所暗示的一个很小的但大于零的宇宙学常数(或暗能量),为弦理论目前的发展提供了指导作用。反过来说,要在更深层次上理解近期的天体物理学观察和暗能量,没有一个基本的量子引力理论是行不通的,弦理论是目前仅有的量子引力理论的理想候选者。二者的结合不仅对弦理论的自身发展有着指导作用,同时对理解和解释宇宙学观察也有很大的促进作用

在超弦的第一、第二次革命,以及随后的快速发展中,中国都未能在国际上起到应有的作用。我们在研究的整体水平上,与国际、与周边国家如印度、日本、韩国,甚至和我国台湾地区相比都有一定的差距。内地学术界对弦理论的认识存在较大的分歧,一些有影响的物理学家,基于某种判断,公开地发表“弦理论不是物理”的观点。受他们的身份和地位的影响,这种观点在中国更容易被大多数人接受,因而在某种程度上制约了弦理论在中国的研究和发展。

从教育和人才培养上看,我国的世界一流大学如北大、清华,在相当长的一个时期内都严重缺乏主要从事弦理论研究的人才,这种局面间接地制约了青年研究生的专业选择,直接地造成了国内研究队伍的青黄不接。

值得庆幸的是,在丘成桐教授的直接推动下,伴随着浙江大学数学科学中心的成立,以及随后该中心和中国科学院晨兴数学中心每年举办的多次高水平专业会议,并邀请像安地·斯特罗明格这样一流水平的学者到中心工作,大大地推动了国内弦理论方面的研究。

2002年底,在中国科技大学成立的交叉学科理论研究中心,目前已经发展为非常活跃和具有吸引力的研究中心。成立4年来,通过多次举办工作周和暑期学校,在超弦理论的人才培养和研究方面做了许多基础性工作。在本次国际弦理论会议之前,国际理论物理中心和中国科学院交叉学科理论研究中心还举办了“亚太地区超弦理论暑期学校”,吸引了100多名参加者。

这种种现象都表明,中国的超弦理论研究,在平静的外表下,正积蓄着旺盛的爆发潜力。很显然,一个国家或一个研究团体的整体水平,与这个国家将会在科研上出现的突破性进展的机会是成正比的,这就是所谓“东方不亮西方亮”的道理,也是所谓科学研究文化的建设重要性所在。忽略科学研究文化的建设,单纯追求诺贝尔奖,是一种急功近利的态度,其结果往往是“欲速则不达”。

摆在超弦理论研究面前的,是一幅广阔的前景和一条艰难的道路,这是一条热闹又孤独的旅程,它所涉及的问题对年轻的学生和学者,有着强大的魅力,同时它对研究人员的专业素养有着很高的要求。2006年国际弦理论会议,对我们来说,是一次机遇——壮大队伍、提高水平,并随着整体水平的不断提高,在国际上占有一席之地。我们正在为弦理论的第三次革命作准备,也期待着她的早日到来。

在过去的一百多年里,物理学家已经发现了一连串越来越小和越来越基本的物质组成单元。这些研究成果最终被总结成为标准模型:轻子(像电子和中微子)、夸克以及将这些粒子捆绑在一起的电磁力、弱相互作用力。但是,标准模型并不是故事的结局,因为它实在是太复杂了,它本身并不能解释一个比元素周期表还要复杂的基本粒子表以及它们之间的相互作用力。

现在,弦理论家们普遍相信标准模型中的基本粒子实际上都是一些小而又小的振动的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦),所有粒子都可由闭弦的不同振动和运动来得到,从本质上讲,所有的粒子都是质地相同的弦。这一听似奇怪的想法能够解释标准模型的许多粗犷轮廓和特性,但是在决定性实验验证弦理论之前,人们仍然有必要对它进行更深刻的认识和了解。最近,人们对弦理论的数学结构的认识有了飞速的进展,发现了弦理论中的许多新组元(“膜”)和新概念(对偶性、全息原理、非对易几何)。现在人们统称弦理论和这些新引进的东西为M理论。

量子力学和广义相对论是20世纪两个非常成功的理论,但令人惊讶的是这两个理论在现有的框架下是相冲突的。简单说来,量子力学认为没有任何东西是静止不动的,任何东西都有起伏涨落(测不准原理)。广义相对论认为时空是弯曲的,弯曲时空是万有引力的起源。将这两个理论结合就可以导出时空本身也是每时每刻都在经历着量子的起伏涨落。在大多数情况下,这些涨落是很小很小的,但在一些极端情况下,比如说在极短距离下、在黑洞的视界附近、在大爆炸的初始时刻等等,这些量子涨落将变得非常重要。在这些情况下,我们现有的理论(量子力学和广义相对论)是不适用的,只能得到一些结果为无穷大荒谬结论。很显然,我们需要一个更完备的理论。

令人惊讶的是,从粒子物理学中发展起来的弦理论提供了这一问题的答案。在弦理论中,由于弦的延展性(一维而不是一个点),引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义,时空量子泡沬由“弦几何”代替了。现在,用弦理论已经解决了有关黑洞量子力学问题的一些疑难。如何用弦理论来说明宇宙大爆炸的初始奇点仍然是一个没有解决的大问题。

宇宙学告诉我们,我们肉眼看到的三个空间维数正在膨胀,由此可以推测它们曾经是很小和高度弯曲的。一个自然的可能性是;也许存在与我们观测到的三个空间维数垂直的其他空间维数,这些额外空间维数曾经是但现在仍然是很小和高度弯曲的。如果这些维数的尺度是够小,以我们现有的观测手段仍不是以直接推测到,但是这些维数仍将以许多间接的效应表现出来。

特别地,这是一个强有力的统一观念:在低维中观测到的不同粒子也可能是同一种粒子,在额外维数空间中,它们都是同一粒子不同方向的运动的表现。实际上,额外维数还是弦理论不可分割的一部分:弦理论的数学方程要求空间是9维的,再加上时间维度总共是10维时空。更进一步的研究表明,由M理论给出的更完全的认识揭示了弦理论的第10维空间方向,因此理论的最大维数是11维。最近的一些发展还提出了我们也许生活在低维的膜上面,但是引力仍然是10维的,为了得到现实的3维引力,可以通过引入“影子膜”或者Randall-Sundrum机制。Randall-Sundrum机制是一种束缚引力的新方法,这时,额外维度可以不是很小很小的。通过观测小距离情况下引力对平方反比定律的偏离,或者是在粒子加速上或者是通过超新星爆发中产生的粒子散射进入额外维度因而看起来像消失一样等等奇怪的现象,也许我们现在就有能力探测到这些额外维度。弦理论不仅大大地拓展了人们的思维空间,还将大大地拓展人们的活动空间。

此次会议是在弦理论系列会议国际委员会建议下,由中国科学院晨兴数学中心、数学和系统科学研究院、理论物理研究所、浙江大学数学科学中心和美国自然科学基金会联合资助举办的,参加会议的有来自世界各地的600多名专家,霍金教授、格罗斯教授、威腾教授和斯特罗明格教授等多位著名理论物理学家将应邀参加会议并在大会上作报告。

2004年诺贝尔物理学奖获得者,2006年国际弦理论会议主席。现任美国加州大学Santa Barbara分校物理学教授,Kavli理论物理研究所所长,中科院理论物理所国际顾问委员会主席。格罗斯教授在理论物理,尤其是规范场、粒子物理和超弦理论等方面有一系列杰出的研究成果。他是强相互作用的基本理论——量子色动力学的奠基人之一。他还是“杂化弦理论”的发明人之一。1985年当选为美国科学与艺术学院院士,1986年当选美国国家科学院院士。

国际著名理论物理学家,现任普林斯顿高等研究院教授,查尔斯·西蒙(Charles Simonyi)教授。他的研究遍布高能物理和数学物理的诸多方向,最擅长将近代数学与物理学研究的前沿问题结合起来,其应用的典范有:Wess-Zumino-Witten项与拓扑项、反常与指标定理、Dirac算子与正能定理、超对称与Morse理论等。他与Green和Schwarz教授合著的二卷本《超弦理论》自出版后一直是弦理论家的圣经。

当代享有盛誉的伟人之一,被称为“活着的爱因斯坦”。他在解决20世纪物理学的两个非常成功的理论——广义相对论和量子理论的冲突方面走出了重要的一步。

1973年3月1日,霍金教授在《自然》杂志上发表论文,阐述了自己的新发现——黑洞是有辐射的(霍金辐射)。霍金的新发现被认为是多年来理论物理学最重要的进展。该论文被称为“物理学史上最深刻的论文之一”。

哈佛大学教授,美国科学与艺术院院士,主要研究量子引力、弦理论和量子场论。在弦理论的研究中,斯特罗明格和他的合作者利用微观黑洞的变轻和凝聚成功地描述了时空拓扑变化的相变过程。此外,斯特罗明格和同事瓦法(C. Vafa)成功地利用弦理论和统计力学,导出了黑洞的贝肯斯坦-霍金(Bekerstein-Hawking)熵公式,这一结果提示弦理论也许能最终解决霍金提出的黑洞信息丢失疑难。

国际著名数学家,2006年国际弦理论会议主席。现任美国哈佛大学教授,美国科学院院士,中国科学院外籍院士。丘成桐教授在科研方面做出了杰出的成就,赢得了许多荣誉。更为可贵的是,他十分关注中国基础研究的发展,并将其同自己的科研发展紧密联系在一起,多年来,一直运用他在国际上的影响和活动能力,协同各方面力量,为中国数学的发展做了大量的工作。

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