超弦理论及其进展
摘要 综述了超弦/M理论的意义、重要性及其发展过程中的两次革命以及已经取得的成绩, 评述了该领域目前的研究现状和发展趋势, 探讨了该理论的研究如何帮助我们认识和理解一个量子引力理论以及包括引力在内的相互作用统一理论所需要满足的要求和条件. 该理论的研究也在一定程度上揭示了时空的本质和模糊性、相互作用的本质和模糊性, 以及在考虑非微扰效应下经典和量子之间存在的可能模糊性, 由此为该理论的进一步研究和完善给予启示.
关键词 量子引力,统一理论,超弦/M理论
1 研究的动机
物理学中有待解决的基本问题之一是如何实现引力的量子化, 并将引力与自然界其他三种基本相互作用——电磁力、弱相互作用力和强相互作用力统一起来. 尽管量子引力离我们日常生活以及目前人工加速器所能达到能标下的物理现象的研究甚远, 但人类从未停止过对未知世界以及由此而提出的一些基本问题的好奇和探索. 正是这种好奇的驱动力使得我们对周围世界运行规律的了解不断深入, 人类也因此丰富了自己的视野, 从中获得了巨大的收益. 量子引力与宇宙的起源所涉及的一些基本问题, 如时空的本质和相互作用本质等紧密相关, 特别要理解如黑洞熵的本质、黑洞奇点、宇宙学奇点问题以及近期宇宙学观察发现的暗能量本质问题, 都需要理解引力的量子行为. 另外, 相互作用的统一也需要引力的量子理论, 很难想象一个经典引力可以与另外三种量子相互作用统一在同一个理论框架内. 超弦理论是人们经历了无数次不成功尝试而获得的一种包括引力在内的量子统一理论, 是目前量子引力理论的最佳候选者. 超弦理论至少在量子微扰意义上是自洽的, 实现了量子引力的一些基本要求, 如自然地将20世纪两大物理支柱——量子力学和广义相对论有机结合起来, 从理论上实现了包括引力在内力的普朗克能标(1019 GeV)即紫外也是有限的. 特别要提到的是, 近期对非微扰弦理论的研究揭示了一个更大理论的存在, 即所谓M理论的存在性. M理论如果成功, 它一定会导致一场人类对时空本质、时空维数、相互作用本质、暗能量本质等革命性的认识, 其深刻程度不亚于20世纪的两场物理学革命: 量子力学和广义相对论. 该理论的成功对我们了解宇宙的起源和演化必将起着促进作用. 另外, 精确宇宙学时代的到来以及欧洲核子中心大型强子对撞机(LHC)即将运行为检验该理论提供了一定的实验基础, 更为其进一步发展提供了实验指导. 超弦/M理论的研究也为其他科学分支提供了新的思路和方法, 如解释凝聚态物理中分数量子霍耳效应, 并加深了我们对一些基础数学如几何与拓扑学的认识, 导致了一些新数学的发现. 正如加州理工学院弦理论家Ooguri于2008年7月在欧洲核子加速器中心(CERN)召开的国际超弦会议所做会议总结中提到的, 超弦理论不仅是一个统一物质及其相互作用的候选理论, 它也是一个模型, 对我们已知的四维世界的引力、手征费米子、规范相互作用、对称性破缺等提供了很好的描述, 特别它教给我们一个自洽的量子引力理论所具备的特征及要求; 它还是一个工具, 例如通过该理论获得的AdS/CFT对应可以对很多强相互作用系统, 如夸克-胶子等离子体、强子物理、凝聚态物理中的量子相变、冷原子系统等的广泛应用; 最后它还是一种语言, 如在普朗克能标时量子引力变得重要, 此时时空将不存在, 必须从更基本的结构导出, 因此我们需要一个全新的更基本的语言来描述这一结构. 换而言之, 超弦理论所起的角色不仅是一个上述意义下的候选者, 也是一个模型, 是一个工具, 更是一种全新的语言.
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