中國科學家提供物理學終極理論新思路，什麼水平？
據中科院官方網站報道，中國科學院院士吳岳良在物理學大統一理論上實現重要突破。
報道稱，吳岳良在揭秘愛因斯坦統一場論的研究中取得突破，創建了超統一場論（hyperunified field theory）。該理論受相對論性狄拉克旋量理論、愛因斯坦廣義相對論、楊-米爾斯規範理論和大統一理論的啟發，並基於吳岳良前期發展的引力量子場論的研究成果，為揭示愛因斯坦統一場論理念中的不解之謎，探索終極統一理論打開了一扇新窗口。
中國科學院院士吳岳良
眾所周知，中國在物理學終極理論領域，同世界頂級水平還存在著較大差距，那麼，吳岳良院士的理論究竟處於什麼水平？
吳岳良院士這次的研究成果是發表在《歐洲物理雜誌C》上。據觀察者網查詢，《歐洲物理雜誌》（European Physical Journal）C刊專門刊發粒子和場論領域文章，影響因子5.331。這意味著，除去《科學》、《自然》這樣的綜合期刊和《現代物理評論》《物理報道》這種只向知名科學家約稿的期刊，《歐洲物理雜誌》在物理學專業內算得上是頂級水平。
而吳岳良本人不僅是中科院院士、973項目首席科學家，還有多個頭銜加身，現任中國科學院大學常務副校長，也是中國引力波探測計劃「太極計劃」的首席科學家。根據「太極計劃」，中國將於2033年發射引力波探測衛星組，成為世界最具雄心的理論物理學研究項目之一。
吳岳良在大統一理論上的研究也早有報道。2016年1月的一次報告會上，他用「超越愛因斯坦廣義相對論」來描述自己的研究。
簡單地說，現代物理學認為，自然界有四種基本相互作用力：萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力。狹義相對論與量子力學統一而成的「量子場論」，已經能夠將強、弱和電磁三種力統一描述，但描述萬有引力的廣義相對論卻無法與其統一。愛因斯坦畢生追求的就是將量子力學和廣義相對論統一的「統一場論」。
吳岳良提出的「超統一場論」，則是跳出了廣義相對論中「引力是彎曲時空表現」的理論，在平坦時空的前提下進行研究。因此，他認為自己提出的是一種新思路，開始「超越愛因斯坦提供的技術路線」。
中科院網站對於吳岳良院士最新成果的報道如下：
近日，中國科學院院士、中國科學院大學教授、亞太國際理論物理中心和中科院理論物理研究所研究員吳岳良，在揭秘愛因斯坦統一場論的研究中取得突破，創建了超統一場論（hyperunified field theory）。該理論受相對論性狄拉克旋量理論、愛因斯坦廣義相對論、楊-米爾斯規範理論和大統一理論的啟發，並基於吳岳良前期發展的引力量子場論的研究成果，為揭示愛因斯坦統一場論理念中的不解之謎，探索終極統一理論打開了一扇新窗口。
自1915年愛因斯坦創立廣義相對論以來，物理學家、數學家致力於構建一套能夠統一描述自然界已知基本相互作用的理論。愛因斯坦進行了長期且廣泛深入的探索，試圖在經典統一場論框架內建立描述電磁力和引力的統一理論。他花費了後半生幾乎所有的時間探尋統一場論，儘管所有的嘗試最終未能取得成功，但其關於統一場論的理念一直延續至今。愛因斯坦統一場論之夢成為一代又一代理論物理學家和數學家們所追求的夢想。
在超統一場論中，所有已知的基本粒子（夸克和輕子）統一成為十九維超時空（hyper-spacetime）中的單一基本粒子——馬約拉納型超旋量場（Majorana-type hyper-spinor field），其旋量結構由基本粒子超自旋荷（hyper-spin charge）的量子特性所決定。所有已知的基本相互作用（引力、電磁、弱和強作用力）由超旋量場的超自旋規範對稱性（hyper-spin gauge symmetry）統一支配，並由超自旋規範場（hyper-spin gauge field）和與之相伴隨的超引力場（hyper-gravifield）統一描述。
超統一場論的建立遵從兩個基本指導原則：一是基本粒子的內稟量子數和獨立自由度決定時空的維度與結構；二是描述自然規律的作用量遵循規範不變原理且與坐標選取無關。原則之一使基本粒子的內稟特性和對稱性與時空的幾何特性和對稱性建立起對應關聯，導致所有基本粒子合併統一成為超時空中的超旋量場，超旋量場的旋量結構反映超時空的幾何性質。原則之二導致局域平坦超引力場時空（locallyflat hyper-gravifield spacetime）作為自然演生（emergent）的非坐標內稟超時空而呈現，使所有基本相互作用統一成為超引力場時空中的超自旋規範相互作用（hyper-spin gauge interaction）。由此導出規範-引力對應原理（gauge-gravity correspondence）。
基於構建超統一場論的基本原理，自然地引入雙標架超時空（biframe hyper-spacetime）概念，並賦予高維超時空以物理和幾何涵義。標架之一是整體平坦的閔氏超時空，起慣性參考系的作用，能很好地定義坐標時空的度量和物理守恆量，用以描述基本場的運動學；另一標架則是局域平坦的超引力場時空，起著傳遞局域相互作用和能量的作用，能很好地定義和表徵基本場內稟自由度之間的相干關聯和規範守恆流，用以刻畫基本場的動力學。數學上，雙標架超時空形成幾何的纖維叢結構，整體平坦的閔氏超時空和局域平坦的超引力場時空分別作為纖維叢的底時空和其纖維。作為底時空的閔氏超時空是一個沒有相互作用存在的真空超時空，而當作纖維的超引力場時空是一個具有非對易幾何結構的真實超時空，其非對易性由超引力場的規範場強來刻畫。超引力場時空構成一個實在宇宙，原則上可由基本場的相互作用探測其性質。
在引力量子場論的理論框架下，超統一場論具有閔氏超時空的最大龐加萊對稱性（非齊次洛倫茨對稱性）PO(1,18)和超引力場時空的最大超自旋規範對稱性SP(1,18)以及整體和局域的標度對稱性。可導出所有對稱性對應的守恆定律和基本場的運動方程，尤其是包含超引力場能動量在內的總的超應力能動量張量守恆定律（hyper-stress energy momentum conservation law）。給出由守恆的雙協變超矢量流所支配的超引力場的規範引力方程，並藉此導出由守恆的超應力能動量張量所決定的超度規引力場的幾何引力方程。超應力能動量張量的對稱部分對應於超時空中推廣的愛因斯坦引力場方程。超統一場論的標度規範不變性由標度標量場和標度規範場刻畫，對研究宇宙的基本能量標度以及宇宙的起源和演化起基礎性作用。
超引力場作為定義在雙標架超時空中的雙協變矢量場（bicovariant vector field），是一個規範型矢量場，也起著Goldstone玻色場的作用。作為Goldstone玻色場的超引力場的對稱變換決定超自旋規範對稱性，從而揭示規範對稱性的引力起源。
超統一場論的超時空被證明具有隱性廣義線性群對稱性GL(19,R)（hidden general linear group symmetry），在四維時空中，此對稱性奠定了愛因斯坦廣義相對論的基礎。論證表明，超引力場的規範相互作用可等效為超時空度規聯絡的相互作用，並由超時空黎曼幾何的曲率張量來描述。由此導出引力-幾何對應原理（gravity-geometry correspondence）。
基於廣義標度規範不變條件和幺正規範固定條件，研究表明，超引力場的規範動力學完全等價於超引力度規場（hyper-gravimetric field）的幾何動力學，由此揭示引力的規範-幾何對偶性質（gravitational gauge-geometry duality）。最終得出結論：構建超統一場論所遵循的基本原理比愛因斯坦建立廣義相對論所假設的廣義協變原理更基本和更普遍。
超統一場論的建立涉及對時空觀念、幾何觀念和宇宙觀念以及物質觀念和能量觀念的重新認識。該理論預言新的矢量型夸克和輕子、鏡像夸克和輕子、多重態規範矢量玻色子和有效標量玻色子等新粒子以及自旋力和標度力等新的相互作用力的存在。深入研究超統一場論的動力學和新物理唯象、探索對稱破缺機制和維數約化模型以及探測引力波的基本性質和引力宇宙，將對深刻認識四維時空結構的生存宇宙，理解引力本質、宇宙起源、質量起源、暗物質和暗能量等基本科學問題，以及檢驗超統一場論和探秘自然界基本規律起重要作用。
相關研究成果發表在The European Physical Journal C上。研究工作得到了中科院戰略性先導科技專項、前沿科學重點研究計劃和國家自然科學基金等的支持。
TAG:觀察者網 |