大一统理论乱弹

December 29, 2013 in Knowledge Sharing, Other

什么是大一统理论?大一统理论就是试图通过为现实世界建立一个完整的数学模型来解释所有物理现象的运行机制的理论,属于理论物理的范畴,也是理论物理学家的终极梦想。

众所周知,宇宙中最基本的力有四种,引力作用,电磁作用,强相互作用和弱相互作用。

其中引力作用和电磁作用是远距离作用力,而强相互作用和弱相互作用是近距离作用力。

世界上最早的大理论物理学家就是牛顿, 他的发现能解释大的物体在低速情况下的运动规律。他的理论也是当时的大一统理论。

电动力学的奠基人麦克斯韦也是伟大的理想物理学家,他的发现说明电,磁,光是同源的,洛伦茨力和麦克斯韦方程基本也能解释当时的电磁现象。但是在此时已经没有大一统理论的存在了,理论物理已经被割裂成牛顿经典力学和电动力学两个不相干的部分。

爱因斯坦的相对论很好的解释了物质在大尺寸下的运动规律,完美的诠释了物体在引力作用下的行为,他的时空观是4维时空,也就是3维空间加上一维时间。爱因斯坦也试图建立一个体系来结合广义相对论和电磁学,他称之为统一场论, 结果他没能成功,更糟糕的是随着强相互作用和弱相互作用的发现,他的目标变得越来越遥远。至此,作用力分别由四种不同的理论体系分割。

理论物理学家们自然不能容忍这种现象长期存在,他们依然在努力建立一个大一统理论来解释所有现象。

1968年,谢尔登·格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆与史蒂文·温伯格发布了电弱统一理论。 弱相互作用与电磁相互作用是同一种相互作用的不同状态的表现形式。
根据电弱理论,在能量非常高的时候,宇宙共有四种无质量的规范玻色子场,它们跟光子类似,还有一个复矢量希格斯场双重态。然而在能量低的时候,规范对称会出现自发破缺,变成电磁相互作用的U(1)对称(其中一个希格斯场有了真空期望值)。虽然这种对称破缺会产生三种无质量玻色子,但是它们会与三股光子类场融合,这样希格斯机制会为它们带来质量。这三股场就成为了弱相互作用的W+、W−及Z玻色子,而第四股规范场则继续保持无质量,也就是电磁相互作用的光子。
W及Z玻色子是负责传递弱核力的基本粒子。它们在1983年被欧洲核子研究组织的实验检测到。
2013年3月14日,欧洲核子研究组织发布新闻稿,正式宣布探测到新的粒子即希格斯玻色子。至此,弱电统一理论完全被实验证明。
弱电统一理论的提出极大地鼓舞了其他的理论物理学家。在70年代,标准模型被慢慢建立起来。
标准模型是一套描述强相互作用、弱相互作用及电磁作用这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它隶属量子场论的范畴,并与量子力学及狭义相对论相容。到目前为止,几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套大一统理论,主要是因为它还没有能把引力作用包括进去。
标准模型包含61种基本粒子:
36种夸克(6味3色再加上它们的反粒子),夸克是组成重子的基本粒子;
12种轻子(电子、μ子、τ子三种带-1基本电荷的粒子,以及它们分别对应的电中微子、μ中微子、τ中微子三种不带电的中微子,再加上它们的反粒子);
8种胶子(3色与其反色组合而成,线性独立的只有8种),胶子是一种负责传递强相互作用的玻色子;
2种W玻色子(W+,W-),弱相互作用的媒介粒子;
Z玻色子,弱相互作用的媒介粒子;
光子,电磁作用的媒介粒子;
希格斯玻色子,

夸克和轻子都是费米子,其他的基本粒子都是玻色子。简单来说,费米子就是组成物质的基本粒子,而玻色子则负责传递各种作用力。
规范玻色子的规范变换是可以准确地利用一个称为“规范群”的酉群去描述。强相互作用的规范群是SU(3),而电弱作用的规范群是SU(2)×U(1)。所以标准模型亦被称为SU(3)×SU(2)×U(1)。

为了实现大一统的梦想,有人在标准模型上添加了引力子的基本粒子,但是迄今为止尚未被实验所发现。

也有人假设SU(3)、SU(2)及U(1)群其实是一个更大的对称群的成员。只有在高能状态(比现时实验能达到的能量还要高)这个对称性才能保存;在低能状态,它自发破缺到SU(3)×SU(2)×U(1)。这些设想中第一个被提出的是SU(5),这个理论同时还预言了质子的衰变,认为质子的寿命大约为10^30年,这个预测和超级神冈探测器的实验结果不符,因此这个理论基本已经不人所看好。其它类似的还有SO(10)和E(6)。

目前最被看好的能成为大一统理论的是超弦理论。

弦理论的雏形是在1968年由维内奇诺发现。他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学函数,结果却发现欧拉的贝塔函数能够描述他所要求解的强作用力。不久后李奥纳特·苏士侃发现,这个函数可理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”,这就是弦理论得名的由来。早期的弦理论是只是研究玻色子,后来在弦理论上加上了超对称性,就成了大一统的超弦理论了。

超弦理论认为所有基本粒子在本质上没有区别,都是一小段在高维时空(有10维,11维两种观点)振动着的“能量弦”;弦与弦之间本质上并无不同,只是弦的长度,形状,振动方式和运动方式不同。无数振动着的弦投射到爱因斯坦的思维时空,就像把三维世界中的景象投射在二维的电影屏幕上,就是人类能认识到的各种基本粒子。在超弦理论中,人们自然地可以得到规范对称性、超对称性和引力,而这些原来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,在超弦理论中它们都协和地统一起来了。尽管弦论中的弦的尺寸极其微小,但操控它们性质的基本原理预言,存在着几种尺度较大的薄膜状物体,后者被简称为”膜”.根据超弦理论,我们所处的宇宙空间就是九维空间中的三维膜.

超弦理论分为三种类型:Ⅰ型,由开弦和非定向闭弦构成,其低能极限等价于N=1的10维超引力和超杨-密耳斯理论,规范群为SO(N)和USP(N);Ⅱ型,仅由定向闭弦构成,不能描述规范相互作用,低能极限等价于N=2的10维超引力理论;Ⅲ型是1985年由D.J.格罗斯等人提出的杂交弦,由26维空间玻色弦和10维空间费密弦“杂交”而成,虽然它仅包含定向闭弦,但由于在环面上紧致化及孤立子的存在,可以描述规范相互作用,规范群为E8×E8或Spin(32)/Z2,其中Spin(32)为SO(32)的覆盖群,其低能极限与Ⅰ型超弦相同。

在十维空间中,实际上有5种自洽的超弦理论,它们分别是IIA和IIB,一个规范为Apin(32)/Z2的杂化弦理论,一个规范群为E8×E8的杂化弦理论和一个规范为SO(32)的I型弦理论。对于大一统理论来说,5种可能性还是太多了。1995年人们才得到一个比较完美的关于这5种自洽超弦理论统一的模型。这个存在一个唯一的模型,被称为M理论。

超弦理论成功地解释了黑洞的熵和辐射,但是并没有任何实验表明弦的存在,
大一统理论大事年表

1640年-法国天文学家布利奥(Ismael Bullialdus)建议重力的大小与距离平方成反比。
1684年-牛顿导出了平方反比的重力定律。
1784年-英国的自然哲学家John Michell论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。
1795年-法国的数学与天文学家拉普拉斯亦论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。
1798年-英国的物理学家亨利·卡文迪什测量重力常数常数G。
1864年-麦克斯韦公布麦克斯韦方程组。
1876年-英国的数学与科学哲学家威廉·金顿·克利福德建议物体的运动可能源自于空间上的几何变化。
1909年-爱因斯坦和葛罗斯曼开始发展束缚度量张量的理论gik,用以定义与质量有关,源自的重力空间几何。
1910年-汉斯·莱纳和根拿·诺德斯德伦定义了莱纳-诺德斯德伦奇点,赫尔曼·魏尔解出特解为一个点。
1913年-玻尔提出了原子结构的玻尔模型,并因此获得1922年诺贝尔物理学奖。
1916年-卡尔·史瓦西解出球面对称且不转动的无电性系统在真空下的爱因斯坦场方程。
1917年-保罗·埃伦费斯特给初三度空间的条件原则。
1918年-汉斯·莱纳和根拿·诺德斯德伦解出球面对称且不转动的荷电系统的爱因斯坦-麦克斯韦场方程。
1918年-Friedrich Kottler得到非真空的爱因斯坦场方程史瓦西解。
1920年-玻色和爱因斯坦发展出“玻色——爱因斯坦统计法”的统计规则。符合这个统计规则的粒子被称为玻色子。
1923年-美国数学家伯克·霍夫证明史瓦西的时空几何是爱因斯坦场方程唯一的球对称解。
1924年-路易·德布罗意提出了德布罗意假说,每一种微观粒子都具有波粒二象性。
1924年-泡利发现泡利不相容原理并因此获得1945年的诺贝尔物理学奖.
1925年-海森堡、玻恩和约尔丹(P. Jordan)完成了矩阵力学。
1926年-薛定谔发表了关于薛定谔波动方程的论文。
1926年-费米发现了一种新的统计定律—费米-狄拉克统计。他发现这种统计适用于所有遵循泡利不相容原理的粒子,这些粒子现在被称为费米子。
1927年-海森堡发表论文给出了不确定性原理的原本启发式论述。
1928年-保罗·狄拉克发表了一项描述自旋-½粒子的波函数方程,不带矛盾地同时遵守了狭义相对论与量子力学两者的原理,实则为薛定谔方程的洛伦兹协变式。这个方程预言了反粒子的存在。
1932年-卡尔·安德森发现了正电子(positron)。
1935年-汤川秀树发表“关于基本粒子的相互作用”论文,解释了原子核之内质子与中子之间的相互作用,提出核子的介子理论并预言介子的存在。
1939年-欧本海默和哈特兰·史奈德计算无压力均直流体的重力坍缩时,发现会自己切除与宇宙其余部分的联系。
1939年-哈恩和斯特拉斯曼发现核裂变。
1940年-泡利证明带半数自旋的粒子是费米子,带整数的自旋的粒子是玻色子。
1956年-李政道和杨振宁发表了著名的“弱相互作用中的宇称守恒质疑”。吴健雄与同事于1957年实验发现了弱相互作用的宇称不守恒,杨振宁与李政道因此获得1957年诺贝尔物理学奖。
1963年-克尔解出不带电对称旋转体在真空的爱因斯坦场方程,并导出克尔度规。
1964年-罗杰·彭罗斯证明一颗内爆的恒星一旦形成事件视界就必然会成为奇点。
1964年-詹姆斯·克罗宁与瓦尔·菲奇以K介子衰变,为弱相用作用下CP对称破缺提供了明确的证据,二人因此获得1980年的诺贝尔物理学奖。
1965年-艾兹·T.·纽曼、E. 考契、K. Chinnapared、A. Exton、A. Prakash和Robert Torrence解出带电并旋转系统的爱因斯坦-麦克斯韦场方程。
1967年-约翰·惠勒提出”黑洞”这个名词。
1968年-布兰登·卡特应用汉米顿-贾可比方程导出带电的亚原子粒子在克尔-纽曼黑洞场外的一阶运动方程。
1969年-罗杰·彭罗斯论述由克尔黑洞题取自旋能量的罗杰—彭罗斯过程。
1972年-史蒂芬·霍金证明,经典黑洞的视界事件区域不可能减少。
1972年-詹姆斯·巴丁、布兰登·卡特和史蒂芬·霍金提出等同于热力学定律的黑洞第四定律。
1972年-雅各·柏肯斯坦建议黑洞也有熵,就是事件视界的面积。
1972年-小林诚与益川敏英指出,弱相互作用的CP破坏,需要两代以上的粒子,因此这项发现实际上预测了第三代粒子的存在,他们因此获得了2008年半个诺贝尔物理学奖。
1974年-史蒂芬·霍金将量子场论运用于黑洞时空,并证明黑洞会像黑体一样辐射出光谱而导致黑洞的蒸发。
1995年-威滕在南加州大学会议中提出M理论,并用它来解释一些以前观察到的现象,在弦论中引发所谓的第二次超弦革命。
1996年-安蒂·斯楚明格和伐发运用弦论计算黑洞的熵,得到与史蒂芬·霍金和雅各·柏肯斯坦相同的结果。
1998年-超级神冈探测器的领导者小柴昌俊给出中微子振荡的首个确切证据,认为中微子在三种不同“味”之间是可以相互转换的,这也表明中微子是有质量的,而不是粒子物理标准模型中预言的零质量粒子。2002年,超级神冈探测器证实反应堆中产生的中微子发生了振荡。标准模型因此做了修正。小柴昌俊也因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。
2002年-普郎克外太空物理学院的天文学家提出目前的证据假设银河系的中心人马座A*是个超重质量黑洞。
2004年-在量子力学和弦论上的计算,都认为讯息可以自黑洞溢出。源自弦论的黑洞模型对奇点的想法抱持怀疑。
2013年-欧洲核子研究组织宣布探测到新的粒子即希格斯玻色子。

 

 

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1 response to 大一统理论乱弹

  1. 不明觉厉,另外,爱因斯坦都想不出来。。。。唉

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