基础物理学中的十个顶级问题

弦理论 1968
实验，标准模型
1984
“旧弦理论”
20??
?
基本的自由度是什么？ 基本的对称性是什么？ 基本的动力学原理是什么？
21 世纪中的三个
(可能的)观念上的变革
时空的本性 宇宙的初始条件 运动学和动力学的统一
时空观念的变革—I
在超弦理论中， 我们可以：
• 改变空间的维数
IIA 理论在 10-d维空间中 l <<1
= Log(N)
问题 九
• 引力尺度和基本粒子的典型质量 尺度之间的巨大差异是由什么物 理解释的？
问题 十
• 我们能定量地解释量子色动力学 中的夸克胶子的禁闭和质量间隙 (mass gap) 的存在吗？（值一百 万美圆）
大N展开和弦理论
方法：在大N色 极限下求解QCD
N= 色的数目(3)
Ng2 固定 • 无相互作用的强子谱。偶合常数 ~1/N
已经解释了黑洞的熵
有可能帮助我们解释宇宙的起源
弦理论告诉我们：我们关于时空的观念必须彻底改变。
弦理论的现状
类似1925年前的量子理论！
量子理论
1898
普朗克 爱因斯坦
实验
1913
玻尔模型
旧量子论
量子力学
1925
有时是成功的但是是 ?(量子力学)的 adhoc半经典近似。
实验只起小的作用。
对偶共振模型
或许吧。
那这就是物理学的终结吗？
绝对不是！
REDUCTIONISM TOE
GRAVITY QCD
(String Theory?)
MICRO
ELECTROWEAK
ATOMIC STRUCTURE
COSMOLOGY
NUCLEAR STRUCTURE
STELLAR STRUCTURE
CONDENSED MATTER
基础物理学中的十个顶级问题
• 所有刻画自然界的无量纲参数是原理上可计算的呢，还是有些仅 仅是由历史或是量子力学的偶然因素确定而不可计算的？ • 量子引力如何能帮助解释宇宙的起源？ • 质子的寿命是多长？我们如何解释之？ • 自然界是超对称性的吗？如果是，超对称如何破缺？ • 为什么宇宙看来只有一个时间和三个空间维数？ • 为什么宇宙常数会有它有的值？这个值是零吗?它是常数吗? • M-理论的基本自由度是什么？这一理论确实描述自然界吗？ • 黑洞的信息佯谬如何解决？ • 引力尺度和基本粒子的典型质量尺度之间的巨大差异是由什么物 理解释的？ • 我们能定量地解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭和质量间隙 (mass gap)的存在吗？（值一百万美圆）
CLASSICAL MECHANICS OF ATOMS AND MOLECULES
CHEMISTRY
STRUCTURE OF THE UNIVERSE
FLUID MECHANICS
MACRO
BIOLOGY
知识、无知和智慧
知识 知识
无知
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~ ~
体积 面积
无知
智慧
~
知识 无知
~
体积 面积
知识
无知的海洋是紧致的吗？ 无知
强子类弦理论
介子 胶球
这一问题能从我们对超弦理论的了解中受益， 也能对我们了解超弦理论做出贡献。
超弦理论
（现在的）超弦理论是一个将现有的基本理论做既保守又 激进的改造后得到的理论，也就是： 粒子 --> 弦， 保持所有其它基本的物理原理不变。
粒子
弦
相互作用的粒子：
e g
e
相互作用的弦：
p
p
弦相互作用
相 互 作 用 强 度 强相互作用
超对称
弱相互作用
统一点
电磁相互作用
普朗克尺度
引力
现在的观测范围
1012ev LHC
1028ev ENERGY
超空间
t
x
1 2 2 1

问题 五
• 为什么宇宙看来只有一个时间和 三个空间维数？
在任何一个包含引力的理论中，时空 的大尺度结构是一个动力学的问题。
向统一理论迈进
超弦的量子振动给出：
标准模型和引力的粒子谱和相互作用：
e, gW,Z,….g
但是，要真正给出标准模型，我们必须了解：
紧致化 & 超对称破缺
引力的量子理论
弦理论证明了量子力学和广义相对论是相互自恰的。
(至少对弱引力场)
弦理论为我们提供了探索由强引力引起的诸多疑难的工具。
黑洞的命运
问题 一
• 所有刻画自然界的无量纲参数是 原理上可计算的呢，还是有些仅 仅是由历史或是量子力学的偶然 因素确定而不可计算的？
问题 二
• 量子引力如何能帮助解释宇宙的 起源？
问题 三
• 质子的寿命是多长？我们如何解 释之？
问题 四
• 自然界是超对称性的吗？如果是， 超对称如何破缺？
标准模型的外推
在超弦理论中，有 9个 或 10个 空间维度:
6个 或 7个是紧的：
或者我们是生活在膜上：
M4
CY6
为什么只有一 个时间维度？
问题 六
• 为什么宇宙常数会有它有的值？ 这个值是零吗?它是常数吗?
问题 七
• M-理论的基本自由度是什么？这 一理论确实描述自然界吗？
五种超弦理论、M理论之间的关系
A 粒子： C
B
相互作用点
时间
弦：
弦相互作用是 拓扑唯一的。
C
裤子图
时间
A
B
弦理论的成就
• 一个逻辑上自恰的现有物理理论的
革命性的推广
物理学的革命 相对论
C h G 光速 作用量量子 谱朗克长度
量子力学 弦理论 ?
• 一个自恰的和有限的量子引力理论 • 一个结构丰富并可能给出唯一的有关真实世
界的可易理解的描述(一个包罗万象的理论)
• 连续地撕裂空间结构(拓扑不相同)
M 理论在 11-d维空间中 l 1
弦紧致在 M1上
???
弦紧致在 M2上
时空观念的变革—II
在超弦理论中， 我们不可以：
• 分辨越来越小的距离
弦测不准原理
弦在高能时膨胀
x
hc GE 4 E c
• 将空间体积压缩到大小为0
R
=
对偶等价于
1/R
我们能构造一个最终的理论吗？
低能时是11维超引力
N=16 SUSY QM g
M
g
IIA
T对偶
E8xE8 杂化弦
?
IIB
SO(32)杂化弦
N=4 D=4 SUSYM
I
问题 八
• 黑洞的信息佯谬如何解决？
黑洞的熵
弦
黑洞
D膜 N= 简并态的数目
Strominger-Vafa
熵 = 面积/GN
Bekenstein-Hawking公式