超統(tǒng)一場論和引力本質(zhì) 中科院院士創(chuàng)超統(tǒng)一場論 助揭愛因斯坦不解之謎

• 2018年1月28日 zengyan來源：中國科學(xué)院網(wǎng)站 1117 72
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超統(tǒng)一場論和引力本質(zhì)，中科院院士創(chuàng)超統(tǒng)一場論，助揭愛因斯坦不解之謎。

超統(tǒng)一場論和引力本質(zhì) 中科院院士創(chuàng)超統(tǒng)一場論 助揭愛因斯坦不解之謎

近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大學(xué)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(tǒng)一場論的研究中取得突破，創(chuàng)建了超統(tǒng)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(guī)范理論和大統(tǒng)一理論的啟發(fā)，并基于吳岳良前期發(fā)展的引力量子場論的研究成果，為揭示愛因斯坦統(tǒng)一場論理念中的不解之謎，探索終極統(tǒng)一理論打開了一扇新窗口。

國科大在揭秘愛因斯坦統(tǒng)一場論的研究中取得突破)

超統(tǒng)一場論中超引力場的規(guī)范引力方程

引力量子場論理論框架下給出的規(guī)范不變超統(tǒng)一場論作用量

引力規(guī)范幾何對偶性導(dǎo)出的廣義坐標(biāo)不變超統(tǒng)一場論作用量

自1915年愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論以來，物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家致力于構(gòu)建一套能夠統(tǒng)一描述自然界已知基本相互作用的理論。愛因斯坦進(jìn)行了長期且廣泛深入的探索，試圖在經(jīng)典統(tǒng)一場論框架內(nèi)建立描述電磁力和引力的統(tǒng)一理論。他花費(fèi)了后半生幾乎所有的時間探尋統(tǒng)一場論，盡管所有的嘗試最終未能取得成功，但其關(guān)于統(tǒng)一場論的理念一直延續(xù)至今。愛因斯坦統(tǒng)一場論之夢成為一代又一代理論物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家們所追求的夢想。

在超統(tǒng)一場論中，所有已知的基本粒子(夸克和輕子)統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(qiáng)作用力)由超旋量場的超自旋規(guī)范對稱性(hyper-spin gauge symmetry)統(tǒng)一支配，并由超自旋規(guī)范場(hyper-spin gauge field)和與之相伴隨的超引力場(hyper-gravifield)統(tǒng)一描述。

超統(tǒng)一場論的建立遵從兩個基本指導(dǎo)原則：一是基本粒子的內(nèi)稟量子數(shù)和獨(dú)立自由度決定時空的維度與結(jié)構(gòu);二是描述自然規(guī)律的作用量遵循規(guī)范不變原理且與坐標(biāo)選取無關(guān)。原則之一使基本粒子的內(nèi)稟特性和對稱性與時空的幾何特性和對稱性建立起對應(yīng)關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致所有基本粒子合并統(tǒng)一成為超時空中的超旋量場，超旋量場的旋量結(jié)構(gòu)反映超時空的幾何性質(zhì)。原則之二導(dǎo)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(biāo)內(nèi)稟超時空而呈現(xiàn)，使所有基本相互作用統(tǒng)一成為超引力場時空中的超自旋規(guī)范相互作用(hyper-spin gauge interaction)。由此導(dǎo)出規(guī)范-引力對應(yīng)原理(gauge-gravity correspondence)。

基于構(gòu)建超統(tǒng)一場論的基本原理，自然地引入雙標(biāo)架超時空(biframe hyper-spacetime)概念，并賦予高維超時空以物理和幾何涵義。標(biāo)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(biāo)時空的度量和物理守恒量，用以描述基本場的運(yùn)動學(xué);另一標(biāo)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，能很好地定義和表征基本場內(nèi)稟自由度之間的相干關(guān)聯(lián)和規(guī)范守恒流，用以刻畫基本場的動力學(xué)。數(shù)學(xué)上，雙標(biāo)架超時空形成幾何的纖維叢結(jié)構(gòu)，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(dāng)作纖維的超引力場時空是一個具有非對易幾何結(jié)構(gòu)的真實超時空，其非對易性由超引力場的規(guī)范場強(qiáng)來刻畫。超引力場時空構(gòu)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(zhì)。

在引力量子場論的理論框架下，超統(tǒng)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(guī)范對稱性SP(1，18)以及整體和局域的標(biāo)度對稱性?？蓪?dǎo)出所有對稱性對應(yīng)的守恒定律和基本場的運(yùn)動方程，尤其是包含超引力場能動量在內(nèi)的總的超應(yīng)力能動量張量守恒定律(hyper-stress energy momentum conservation law)。給出由守恒的雙協(xié)變超矢量流所支配的超引力場的規(guī)范引力方程，并借此導(dǎo)出由守恒的超應(yīng)力能動量張量所決定的超度規(guī)引力場的幾何引力方程。超應(yīng)力能動量張量的對稱部分對應(yīng)于超時空中推廣的愛因斯坦引力場方程。超統(tǒng)一場論的標(biāo)度規(guī)范不變性由標(biāo)度標(biāo)量場和標(biāo)度規(guī)范場刻畫，對研究宇宙的基本能量標(biāo)度以及宇宙的起源和演化起基礎(chǔ)性作用。

超引力場作為定義在雙標(biāo)架超時空中的雙協(xié)變矢量場(bicovariant vector field)，是一個規(guī)范型矢量場，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(guī)范對稱性，從而揭示規(guī)范對稱性的引力起源。

超統(tǒng)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(chǔ)。論證表明，超引力場的規(guī)范相互作用可等效為超時空度規(guī)聯(lián)絡(luò)的相互作用，并由超時空黎曼幾何的曲率張量來描述。由此導(dǎo)出引力-幾何對應(yīng)原理(gravity-geometry correspondence)。

基于廣義標(biāo)度規(guī)范不變條件和幺正規(guī)范固定條件，研究表明，超引力場的規(guī)范動力學(xué)完全等價于超引力度規(guī)場(hyper-gravimetric field)的幾何動力學(xué)，由此揭示引力的規(guī)范-幾何對偶性質(zhì)(gravitational gauge-geometry duality)。最終得出結(jié)論：構(gòu)建超統(tǒng)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(shè)的廣義協(xié)變原理更基本和更普遍。

超統(tǒng)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(zhì)觀念和能量觀念的重新認(rèn)識。該理論預(yù)言新的矢量型夸克和輕子、鏡像夸克和輕子、多重態(tài)規(guī)范矢量玻色子和有效標(biāo)量玻色子等新粒子以及自旋力和標(biāo)度力等新的相互作用力的存在。深入研究超統(tǒng)一場論的動力學(xué)和新物理唯象、探索對稱破缺機(jī)制和維數(shù)約化模型以及探測引力波的基本性質(zhì)和引力宇宙，將對深刻認(rèn)識四維時空結(jié)構(gòu)的生存宇宙，理解引力本質(zhì)、宇宙起源、質(zhì)量起源、暗物質(zhì)和暗能量等基本科學(xué)問題，以及檢驗超統(tǒng)一場論和探秘自然界基本規(guī)律起重要作用。

相關(guān)研究成果發(fā)表在The European Physical Journal C上。研究工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、前沿科學(xué)重點研究計劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。

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