第四讲宇宙演化与终极物理.ppt

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1、第四讲 宇宙演化与终极物理,王世恩,1、光谱测量技术的发展,1666年，牛顿 的光三棱镜色散。 通常的阳光，是由一序列不同波长 的光组成的。 1814年，德国天文学家夫琅和费 (J. Fraunhofer) 让太阳光先通过一狭缝，再由棱镜折射。这 时，他得到的光谱还是带状的。只不过在连续分布的光谱 中，有一些分离的暗线。这表明太阳的光谱中，欠缺了一些 波长的光。而这些暗线称为“夫琅和费线”。 1859年前后，德国化学家本生(R. W. Bunsen)和克希霍夫 (G. R. Kirchhoff)注意到，不同的化学物质在炽热状态下发出 的光似乎不一样。在拍摄的底片上，不同元素的物质发出的 光，其

2、谱线数不同，位置也有不同。,2、多普勒效应与多普勒红移,多普勒效应 频率为 v的波源以速度vs背离观测者运动时，静止的观测 者测量到这波动的频率就是 相对论性多普勒效应 对于光波，存在相对论性效应。若频率为v 0光源是以速度 v背离接收者而去，则接收者所接收到的光波的频率就为 这种远离我们而去的光源其频率降低、波长变长的现象称之 为多普勒红移。,3、哈勃定律与宇宙膨胀,哈勃定律 一个星系的退行速度与这个星系离我们的距离成正比，即 v = H r . 其中，哈勃常数 H = 728公里/秒百万秒差距. 宇宙膨胀 进一步的天文观测表明，星系间总是相互远离的。星系间 总是相互远离的这种天文观测结果，

3、只有用宇宙是在膨胀的 假设才能解释。 宇宙大爆炸 如果将时间回溯，从爱因斯坦广义相对论的场方程可以得 到一个奇点。据此，勒默策等人就提出，宇宙空间是从一个 点爆炸产生的，这就是所谓的宇宙大爆炸。,宇宙微波背景辐射,宇宙大爆炸的理论在1965年得到 了一个偶然观测结果的有力支持。 这一年，彭齐亚斯和威尔逊两人偶 然测到了一种均匀来自天空各个方 向的射电辐射。这种辐射只相当于 3K左右的物体的热辐射。而这正是 1948年伽莫夫根据大爆炸理论预言 的宇宙微波背景辐射。伽莫夫通过 计算推出，宇宙大爆炸后，随着宇 宙的膨胀，宇宙的温度逐渐降低。 宇宙膨胀到现在，其温度不会超过 5K，并且作为宇宙的背景进

4、行辐 射。,4、宇宙的演化与量子演化动力学,宇宙在膨胀，说明宇宙空间在演化着。不久前用大M理论 (膜理论)，曾得到了另外一种可消除奇点的宇宙大爆炸模 型。该模型说的是宇宙大爆炸是由两片闭合多维弹性膜的碰 撞引起的。但宇宙空间在演化着却与任何一种理论都不冲 突。 对于宇宙的演化，我们可以注意到， 不只是宇宙空间的演化，还应包括宇 宙所含内容的演化。如恒星、行星以及 各种天体的运动，地球上各种生物种群 的不断演化，分子、原子的运动，各种 基本粒子的产生与湮灭，我们日常生活中 所能看到的各种运动与变化等等。,量子演化动力学理论,我们发现，宇宙演化内容中，基本时空演化是由一种特殊 的因子即时间演化算符

5、 作用在能描述 场构型空间的标架上进行的。这种场构型空间可看成是宇宙 的本底。如对于引力场，由于时间平移不变性所给出的 Hamiltonian的限制，从而可得到著名的量子引力方程 Wheeler-De Witt方程。上世纪90年前后，雅各布森、斯莫林 和罗维利完整地求解了这个量子引力方程，从而发现了时空 的量子生成机制。这一机制，也正是宇宙空间的演化机制。 同时也明确说明，时空具有量子结构。,微观粒子的量子动力学机制,考虑一个粒子在两个已经发生的时空事件( xa, ta )和(xb, tb ) 之间的演化，其机制实际上是由一个由时间参量t表征的所 谓演化核即时间演化算符 作用在类空 的闵可夫斯

6、基场构型空间的标架上实现的 。 作用的结果为时空的量子映象，这种子映象在整个时空的综 合，就反映出了粒子在时空的表象，也就是所谓的波函数 (x，t)，它也正是量子动力学方程的解。换句话说，描述 微观粒子的量子力学，实际上就是时间演化算符作用在类空 的闵可夫斯基场构型空间标架上的演化行为。,波粒二象性和量子跃迁 的 量子演化动力学机制,量子演化在整个类空闵可夫斯基场构型空间的综合量子映 象，反映的就是所谓的量子波动。而量子演化在泛函构型空 间中的一种实在反映正好表现的是微观粒子经典动力学行为， 这也正是我们能直观看到的波粒二象性中的粒子性表现。 量子演化动力学也可以说明微观粒子的量子跃迁机制。如

7、对 整数或半整数空间，时间演化算符作用的结果是1或0。而这 正是量子跃迁的法则。 目前，自然界中的基本相互作用是一种什么样的机制也正是 量子演化动力学的研究重要方向。,5、自然界中的基本相互作用,引力相互作用 引力相互作用由爱因斯坦的广义相对论引力场方程刻划。 电磁相互作用 电磁相互作用由麦克斯韦的电磁场方程组刻划。 强相互作用 强相互作用是束缚质子与质子、质子与中子、夸克与夸克 之间的相互作用，由SU(3)规范场来刻划。 弱相互作用 弱相互作用是造成大多数粒子衰变的一种相互作用，它与 电磁相互作用一道，可由SU(2)U(1)规范场来刻划。,强相互作用,英国物理学家卢瑟福1911年提出了原子的

8、核式结构模型后， 人们知道了原子是由带正电的原子核和核外的电子构成的。但 很快就有人提出了这样的问题：原子核又是由什么构成的？ 中子发现后，原子核的结构也就清楚了。原子核是由带一个 电子正电荷的质子和质量与质子相当的中子构成的。 在10-15米的原子核区域内，质子之间的库仑排斥力极大，万 有引力远没有库仑排斥力大，根本不可能把质子约束在原子核 这么小的区域内。那把质子约束在原子核内的力只能是一种新 的相互作用。这种相互作用极强，能克服库仑排斥把质子约束 在原子核那狭小的区域内。这种相互作用就称之为强相互作用。,弱相互作用,实验数据上也表明衰变的电子并不来源于原子核外各壳层 电子，只能来自原子核

9、。但根据1927年海森伯提出不确定性原 理，把电子束缚在的原子核那样小区域内，它的动量将有很大 不确定性，因而它在核内逗留的时间不能超过几分之一秒；这 样，电子就不可能在原子核所占的区域内长时间存在。 中子发现后，这个问题得到了解决。原来中子是不稳定的。 实验发现，通常经过大约15分钟，中子就衰变成了质子和电子。 从衰变实验的能谱数据上看，造成衰变的相互作用不可 能是强相互作用和弱相互作用，因为这两种相互作用都显得太 强了。当然，也不会是万有引力，因为这又显得太弱了。费米 在1934年指出，这种力就应该是一种新的相互作用，并称之为弱 相互作用。,6、统一之路,1935年，汤川秀树提出了一种大胆

10、的理论。他认为，电磁相互作用是 通过交换场量子光子进行的。而质子与质子、质子与中子之间强相互 作用的核力也可以通过这种方式进行，它所交换的是一种质量约为电子 的200倍新的粒子。 1947年，英国物理学家鲍威尔终于在宇宙线中发现了一种粒子，其质 量为电子的273倍，经反复检测，确定它正是汤川秀树所预言的介子，被 命名为介子 随着人造加速器的不断改进，人们陆续发现了、介子和共振 态粒子等许多粒子，其数目比元素的种类还要多。相应地，诸如同位 旋、奇异性等新的物理特性也被认识到了。面对如此种类繁多的粒子， 是否也能找到一种类似于元素周期律的规律来描述这些自然界的基本砖 块呢？而这四种相互作用是否也可

11、以象当年麦克斯韦把库仑力和磁力统 一描述那样统一地描述呢？,质子和中子的统一描述,最初被拿来进行统一描述的是质子和中子。这两 种粒子除了一个带电一个不带电以外，别的物理性 质如质量、自旋等都是相近的。为此，海森伯认为 质子和中子在本质是同一种粒子，只不过有两种不 同的外在表现状态。为了描述这种粒子不同的外在 表现状态，海森伯引入了一种称之为同位旋的量子 数来描述。一种粒子的状态不同，其同位旋分量就 不同。如质子和中子的同位旋分量分别定为+1/2和 -1/2，三种介子+、-和0的同位旋分量分 别定为+1、-1和0。,规范变换,最早想要用统一地描述物理相互作用的数学方法 是德国学者H.外尔在191

12、8年提出来的规范变换。外 尔注意到，似乎象麦克斯韦电磁场理论这样的物理 规律不因在时空每一点上量度时空的尺度的随意选 择而有所改变，这种在时空每一点上量度时空的尺 度的改变称为定域规范变换。外尔试图应用定域规 范变换不变性原理来导出麦克斯韦的电磁场理论。 但外尔的尝试没有成功，其原因在于他所用的尺度 的变换只涉及时空自由度的改变，而电磁势的改变 则涉及物质的内禀自由度（电荷），这两种自由度 是不同的。,量子电动力学的规范变换,1925年量子力学建立后，海森伯等人就注意到，在量子力 学中有一种新的不变性：波函数整体的相位选择有着任意 性，相因子的改变 对力学量的观测值毫无 影响。如果波函数在时空

13、的每一点上，相位作正比于电荷的 改变 要求量子力学在这 变换下不变，则必须有一矢量场存在，其场强正好为麦克斯 韦方程组所描述，场的量子就是光子，它的质量为零，自旋 为1，是传递电磁相互作用的量子。 这样，就完成了由外尔 开头尝试的从定域规范变换不变性导出电磁理论的工作 。,杨米尔斯规范场理论,1954年，杨振宁和米尔斯试图发展一种规范变换 理论，以便能够描述同位旋规范变换的不变性。他 们发现，必须引进三种矢量规范场，它们形成同位 旋转动群 SU(2)的伴随表示。这些规范场的量子的 自旋为1/2，同位旋为1，电荷分别为+1、1和0。 但他们的理论遇到一个重大的困难，那就是他们无 法得到这种规范场

14、量子的质量。而严格的规范不变 性要求，规范场的量子是零质量的矢量粒子。另一 方面，实验中从未发现除光子外别的质量为零的粒 子。,规范场理论的困难,1960年，德国的海森伯把固体物理中自发对称破 缺的概念引入到粒子物理来。他认为存在在一种自 发破缺的机制，使得规范场的对称性受到破坏，从 而使得规范场的场量子具有能量。海森伯的设想在 第二年取得了进展。1961年，英国剑桥的哥德斯通 发现了一类体系，其拉格朗日函数在某种变换下是 一个对称的，但其真空态的变换却是不对称的。这 就产生了对称破缺的情况。但第二年，哥德斯通和 温伯格、萨拉姆证明了这种对称破缺伴随着一种无 质量的粒子，称之为哥德斯通粒子。又

15、是质量为零 的粒子，真令人厌恶。,规范场理论的转机希格斯机制,真正的转机出现在1964年。这一年，英国物理学家P. 希格 斯提出了一种机制(希格斯机制)来解决规范场的场量子质量 为零的困难。希格斯引入了一种标量场，其场量子有质量， 现称之为希格斯粒子。希格斯认为，这种标量场在整个宇宙 空间中处处存在。当对应于基本粒子的规范场与希格斯的标 量场发生汤川相互作用时，规范场的对称性就被破坏。这 时，规范场的场量子就可以有质量。而在发生相互作用过程 中，零质量的规范场粒子在希格斯粒子的影响下(催化)，与 零质量的哥德斯通粒子发生相互作用，并结合生成有质量的 规范场粒子。这时的哥德斯通粒子成为矢性规范场

16、粒子的一 个纵向分量，同时也就破坏了规范场的对称性。,弱电统一,希格斯机制对温伯格和萨拉姆而言是一种福音。温伯格和 萨拉姆早就各做了一个方案，用来对弱相互作用和电磁相互 作用进行统一的描述。他们提出，如果构造SU（2）U （1）的规范场，那电磁相互作用和弱相互作用就可以统一 地被表述。但这种规范场的场量子都是无质量的，这让他们 很沮丧。现在有了希格斯机制，SU（2）U（1）规范场的 场量子就可以在现实中表征出质量来。于是他们各自认真地 研究了希格斯机制在SU（2）U（1）规范场中具体所起到 的作用，最后分别于1967年和1968年各自独立地提出了完整 的弱电统一方案。 他们提出，应该引入的希格

17、斯场是一个二分量的复标量 场。当SU（2）U（1）规范场与希格斯场发生相互作用 时，希格斯场的两个自由度被SU(2)规范场的场子吸收，形 成W规范场粒子；希格斯场的另一个自由度被分配给了 SU(2)和U(1)规范场的场量子，其线性组合就形成了规范粒 子Z0. 而希格斯场的剩余度就形成了所谓的希格斯粒子。,夸克模型,1964年美国科学家M. 盖尔曼和茨威格各自独立地提出， 质子和中子这样的强子还不是最基本的粒子，它们是由更基 本的单元夸克(quark)组成的。最初解释强相互作用粒子 的理论只需要三种夸克和它们的反粒子反夸克。而整个宇 宙由两类“建筑材料”构成，一类是轻子(电子，中微子， 子和子)

18、，一类是夸克。这3种夸克加上已知的4种轻子， 便成为构成世界万物的本原。三种夸克叫做夸克的三种味， 它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇异夸克 (strange,s)。它们各有自己的反粒子反夸克。夸克具有分 数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。我们平时 看到的强子是由三个夸克构成的，比如质子(uud)，中子 (udd)， (sss)。而介子则是夸克和反夸克的束缚态，如 +介子(u)，介子(d)，0介子(u)。,量子色动力学(QCD),随着对强相互作用机制的认识，三种味的夸克就 不够了，所以又增加了三种：粲夸克 (魅夸克) (charm,c)，底夸克(bot

19、tom,b)和顶夸克(top,t)。与此 同时，描述夸克之间强相互作用的规范场也找到 了，那就是SU(3)规范场。为了SU(3)规范场对称性 的要求，每一种夸克应该有三种表现(状态)。这三 种表现用红、绿、兰三种颜色表示。这样，夸克就 有六味三色一共18种。而这样的规范场理论也叫做 量子色动力学(QCD)。,渐近自由,描述强相互作用的SU(3)规范场的耦合常数太大了，没办法用 微扰展开的方法来计算夸克间的强相互作用，而科学家们又只 有微扰展开的工具，这就使得描述描述强相互作用的SU(3)规范 场理论有可能变得空洞而失去价值。 1973年，Gross、Wilczek和Politzer三人对耦合常

20、数随动量的跑动进行了计 算，结果发现：当两个强相互作用的粒子靠得越近，它们之间的相互作用强 度就越弱，它们各自就越自由，此时的耦合 常数就越小，最后可以小到做微扰展开程度。 强相互作用渐近自由的发现，暗示着 弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用 等三种相互作用有可能统一在同一理论 框架下。不久，方案就出来了，这就是 SU(3)SU（2）U（1）规范场理论。,力的强度,相互作用能(GeV),弱相互作用,电磁力,1013 1016,强相互作用,标准模型,SU(3)SU（2）U（1）规范场理论就是统一描述弱、 电、强三种相互作用的所谓标准模型。今天，标准模型已发 展到可以把引力相互作用包容进去的地步

21、。根据标准模型， 传递电磁相互作用的粒子是光子，传递弱相互作用的是W 和Z0粒子，传递夸克间强相互作用的粒子是胶子，而传递引 力相互作用的粒子是引力子。这些媒介粒子中除光子外，其 它的粒子均通过希格斯机制在希格斯粒子的影响下而获得质 量。这也意味着，如果发现了希格斯粒子，那标准模型就可 以完全获得认可。 目前，欧洲核子中心的实验表明，希格斯粒子有存在的迹 象。但日本超级神冈中微子探测器的结果也显示中微子有质 量存在的证据，而标准模型并不容纳非零质量的中微子，这 就有必要对标准模型进行修正。,7、超弦理论,目前，有望能把宇宙时空结构、宇宙所含所有物质及其相互 作用作统一描述的理论是大M理论。大M

22、理论是从20世纪60年代 开始出现的弦理论发展过来的。 当粒子参与强相互作用时，粒子与粒子散射振幅之间满足一 种奇怪的性质，叫做对偶性。 1968年 ，威尼采亚诺发现一个简单的函数可以满足对偶性 ， 这个简单的公式可以自然地解释为弦与弦的散射振幅。如果用弦 的两端 来代表粒子，弦的张力可以代表粒子间的相互作用，特别 是后来夸克间的相互作用，那就可以解释夸克禁闭现象和夸克间 强相互作用的渐近自由行为。,从弦到超弦,后来的发展表明，强相互作用不能用弦理论来解释，至少不 能用已知的简单的弦来描述和解释。 但几年后，加州理工学院史瓦兹 和舍尔克 却将威尼采亚诺散 射振幅中含引力子的部份解释为爱因斯坦理

23、论中的相应部份， 从而使得弦论一变而为量子引力理论！ 回过头来把弦论与粒子物理又关联起来的突破是1993年，这 一年，洛特格斯大学的塞伯格 非常有效地利用超对称来限制场 论中的量子行为。这样，弦论就与量子场论关联了起来，并超 越了量子场论。同时，也就把弦理论发展到超弦理论 。,从超弦到大M理论,1995年，施特劳明格 (Andrew Strominger) 发现用一种特 别的孤子，这种孤子不是完全的点状粒子，而是三维的膜， 可以把塞伯格-威腾94年的结果解释为超弦中具有不同拓扑 的空间之间的相变，从而把看起来完全不同的“真空”态连结 起来。 同年，威腾 (Edward Witten) 发展了一

24、种10 维的超弦在强 耦合极限下可以成为11维的理论。这种理论现在称之为大M 理论。由于大M理论即可以包含时空结构的引力理论，又可 包含量子场论，所以大M理论最有希望把时空结构及其内在 的引力、强、弱和电磁相互作用作统一描述，从而成为物理 学的终极理论。,8、人类思想意识的自然哲学基础,人类可以预测未来了吗？ 难以与自然规律吻合的占卜、算卦、星象学、面相学、手 相学、看风水等等众说纷纭的预测学说。 从牛顿建立力学理论体系后，人类开始有了预测诸如星 体要出现在什么地方等未来的可能性。 当力学、电动力学、热力学等经典物理体系建立起来 后，科学家们可以兴奋地宣称几乎所有的自然现象都可以解 释了，人类似乎可以预测未来了。 但即便在经典物理的理论范畴内，要做到能完全准确的 预测也是有问题的。,概率性的自然现象,经典的统计物理表明，诸多,