相对论物理学100年的发展与展望——香山科学会议学术讨论会综述

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相对论物理学100年的发展与展望——香山科学会议学术讨论会综述

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http://www.sciencehuman.com  科学人  网站 2006-03-05

　　　

1905年爱因斯坦发表的五篇论文涉及了近代物理学的三个极为重要的方面，它们是时空理论、分子运动理论、量子理论。其中，影响最深最广的当属狭义相对论，它不但改变了人类几百年所持有的牛顿绝对时空观，而且与量子力学一起成为了现代物理学的两大理论基础。可以说，没有狭义相对论和量子力学就没有现代物理学。为纪念从1905年开始的现代物理学一百年以来所取得的辉煌成就，联合国大会在2004年6月10日通过决议，把2005年定为“世界物理年”。
   香山科学会议于日前在北京召开主题为《相对论物理学100年的发展与展望》第263次学术讨论会。会议回顾一百年来近代物理学历史、交流物理思想、展望现代物理学未来的发展，以此纪念世界物理年。庄逢甘院士、陈建生院士、欧阳钟灿院士、贺贤土院士和张元仲研究员担任会议执行主席。来自全国科研院所、高等院校的四十余位物理学领域的专家学者参加了会议。周光召院士（因在外地而不能出席会议）向会议发来了贺信，他在信中说：“相对论是二十世纪最伟大的科学发现之一，直到今天仍然显示强大的生命力。可以预期，与天体物理、量子场论和现代数学相结合，相对论将继续向前发展，在认识宇宙的起源、演化、时空和物质的结构和运动方面取得重大的科学突破。中国科学家应当在这个领域有所作为，我希望这次香山会议能够为推动中国相对论的研究，推动学科交叉和融合做出重要的贡献。谨祝会议取得圆满成功，祝与会同志研究有成。”
   与会专家在时空理论、分子运动理论、量子理论这三个重要领域进行了广泛的交流和深入的讨论。
一、量子场论的发展与挑战
   量子场论（狭义相对论+量子力学+场量子化）已成为粒子物理学中的主要理论，并已成功地描写了粒子物理现象。特别是二十世纪60年代以来，随着夸克模型的提出以及随后的发展，在粒子物理领域先后建立了描写电磁作用和弱作用的电弱统一理论的标准模型以及描写夸克强互相作用的量子色动力学（QCD）理论，它们在解释物质结构和粒子实验现象方面获得了很大的成功，是20世纪量子场论最重要成就之一。人们认识物质内部世界愈来愈深入，但也存在很多挑战性的问题，需待探讨。在这方面有关的专家报告讨论了以下一些问题：
   1．中科院理论物理所戴元本院士首先介绍了量子场论的历史发现、存在的问题和未来的发展前景；高能物理所黄涛研究员以“强相互作用70年”为题，介绍了从汤川理论到夸克模型，以及从无标度规律到QCD及QCD的检验和发展的过程。
   2．电弱统一理论的标准模型已经历了三十多年的实验检验，有很多成功之处，它代表了目前物理学家对物质基本结构及其相互作用的一种最朴素的认识。迄今为止，虽然标准模型和实验之间还没发现存在颠覆性的矛盾，但是由于这一模型包含的无量纲参数达20多个，表明这一理论还具有很大的唯象成分；这就是说，经验性的东西太多，理论还不够“基本”。不断检验和完善这一标准模型，探索其中唯象性的理论本质（包括大质量的Higgs粒子的实验寻找），使之上升为更为基本的理论，是粒子物理学家今后的重要任务。
   3．另一方面，不少与会学者提出从超越标准模型的角度去寻找新物理现象。例如，理论物理所吴岳良研究员探讨如何从标准模型和超弦理论出发，根据对称原理构造最大对称化的最小统一模型以及它与超弦理论的关联，并企图以此回答为什么我们生存的时空是四维的？为什么宇称不守恒？为什么只有三代夸克和轻子？暗物质粒子是什么？暗能量本质是什么？等等。
   高能物理所陈和生研究员对中国高能物理的发展战略提出了建议：中国粒子物理实验研究应当利用第二代北京电子对撞机开展粲物理精确测量的研究，寻找新粒子和新的物理现象。同时选择进行有特色的非加速器物理实验，如粒子天体物理实验、中微子物理实验、宇宙线观测等。我国还应大力加强国际合作，重点搞好高能量前沿的LHC实验的合作，积极部署大型直线对撞机的国际合作。中国的高能物理研究基地还应当积极为其他学科提供先进手段和大型平台，例如同步辐射装置、散裂中子源、自由电子激光等等，逐步发展成为多学科交叉研究的基地，在国家科技创新体系中发挥重要作用。
   4．大统一理论是将强相互作用、电磁作用和弱作用统一在一起的理论。粒子物理标准模型取得的成功，推动了统一这三种力的尝试，提出了多种理论方案，但不同理论估算出的新的规范粒子的质量差别十分大。

   二、天体物理学与宇宙学研究的进展与问题
   大型的地面和空间天文望远镜的相继运转和大量观测数据的获得以及相对论研究的深入，极大地扩展了人们对宇宙中发生的绚丽多彩现象的了解，并激发了人类研究宇宙的起源与演化的兴趣。今天，发生在宇宙中的超新星爆炸、恒星的形成、喷射、黑洞和γ射线爆等现象，已成为高能密度物理领域研究的前沿课题。宇宙学的深入研究显然与这些现象的了解有关；既然看到了这么多的现象或者说客体，那么人们自然要了解物质世界占有的一切——宇宙是什么样的？我们生活的宇宙的发生、发展和终结又将是怎样的？
   1．天体物理学和宇宙学的发展与展望
    国家天文台陈建生院士在题为《爱因斯坦与天文学》的报告中介绍了爱因斯坦对天文学发展的贡献、天文学对爱因斯坦科学思想形成及其理论验证的作用、爱因斯坦与天文学家的关系以及国际上的“Beyond Einstein” 计划。
   今天，高技术的发展为天文观察提供了重要的工具，用多种波长的天文望远镜观察到的大量现象为人们深入认识宇宙和检验大爆炸宇宙模型提供了极为宝贵的信息。与会学者对下面观察到的天体物理和宇宙学中若干重要的现象和结果表现出了极大的兴趣并进行了广泛的交流： （1）恒星的形成和演化是天体物理研究中的基本问题之一，虽然由于引力作用星际星云凝聚形成早期恒星之说已得到很多天体物理学家的共识，但是最近发现在离银河系中央黑洞“半人马座A”不到1光年距离附近区域里，诞生了绕黑洞转的数十颗大质量恒星。根据过去的看法，离黑洞这样近区域的这些星云早应被黑洞引力吸引和吞食掉，形成恒星是不可能的，观察到的现象显然与传统的天文学观点完全矛盾。
   （2）黑洞是最具有神秘色彩的宇宙客体之一。目前视界以外靠近黑洞边界高温快速旋转的发光流体的性质和它与黑洞磁场的关系，仍然知之极少，关于黑洞视界内的结构和物质运动更是一无所知。此外，在通常认识上，黑洞存在恒星级（约数十个太阳质量）和超级（约数十亿个太阳质量）两种类型，但最近“钱德拉”X射线天文望远镜观察到位于双鱼座星系质量相当一万个太阳的中等黑洞的存在，其产生的原因尚不清楚。
   （3）关于γ射线爆研究，火球模型是最著名的模型。由于大多数天体物理学家认为超新星爆炸最后形成的火球，即超高密度和超高温度坍缩体（尺度为几公里至几十公里）是主要的γ爆源。但迄今为止，如此光性厚的致密火球体在几秒左右时间内放出总能量超出太阳几万年甚至十几万年放出的能量的γ射线爆，完全令人信服的证据仍然是个谜。
   （4）天体中存在的大量的壮观的超声射流（长度甚至可到几个光年以上），其产生的机制仍然是探索的热点之一。
   （5）关于早期宇宙高温古老物质夸克-胶子等离子体（QGP）的假说，最近在美国著名的对撞机RHIC上，利用金核在质心系被加速到每个核子约100－130GeV能量之后进行对撞的过程显现出类似于QGP的理想流体状态；这是十分激动人心的事，但真正深入了解QGP仍然是个具有挑战性的问题。
   （6）对暗物质的探索仍然是天文学家的热点课题。最近一个国际天文研究小组利用射电望远镜，通过观察星系的旋转，首次发现了一个几乎完全由暗物质构成的暗星系，位于处女座群，距地球约5000万光年。如果这一结论得到证实，银河形成之谜可能得到解决。
   还有很多令人振奋的观察事例。与30年前相比，我们对宇宙的了解虽然已有很大的进展，但是仍然有大量的具有挑战性的问题等待人类去解决。
   2．宇宙学是在大尺度（上亿光年）上研究宇宙的起源与演化的
   宇宙学原理认为，宇宙在大尺度上是均匀的和各向同性的。以宇宙学原理为基础，利用爱因斯坦引力场理论物理所李淼研究员探讨了用超弦理论构造超宇宙标准模型的设想，认为宇宙学是超弦理论实验室，通过宇宙观测和高能物理实验推动超弦理论的发展，有可能在今后十年使弦论超宇宙标准模型得到很大的发展和突破，以此来描写宇宙早期的行为（包括早期不对称的形成）、宇宙的暴涨（Inflation）过程、暗能量的起源，以及小尺度结构与大尺度结构关系等。
   中国科技大学张杨教授讨论了加速膨胀宇宙中的暗能量和宇宙大尺度结构问题。介绍了他们近期提出的基于量子有效杨－米尔斯凝聚的宇宙暗能量模型，给出宇宙膨胀的结论。他们建立的密度场扰动有效场理论，解释了宇宙大尺度结构一系列看起来似乎是相互无关的物理现象，但是在宇宙小尺度结构上仍需要深入的研究。
   中科院研究生院物理科学学院朴云松副研究员和理论物理所张元仲研究员在题为《暴涨宇宙与暗能量》的报告中概述了大爆炸宇宙模型的困难及暴涨宇宙模型对这些困难的解决，并讨论了极早期宇宙研究的新进展及暗能量在极早期宇宙中可能的作用。
   3．引力波探测
   引力波是广义相对论的重要预言之一，引力波的理论研究和测量是验证相对论和认识宇宙的重要手段。引力波的探测在国际上是一个前沿领域，引起了科学家的很大兴趣并进行了不懈的努力。引力波主要是四极辐射且强度很弱。特别是在寻常天体的情况下，其辐射功率太小，目前检测器的灵敏度又不高，因此，引力波的探测难度极大。人们寄希望于比太阳质量大很多的巨大恒星引力塌缩过程的引力波发射（如中子量和黑洞形成过程中的引力波辐射）。北京大学乔国俊教授介绍了因间接证明引力波存在而获得1993年诺贝尔物理学奖的中子星脉冲双星；并介绍了双中子星系统的合并所产生的引力波有可能被未来空间激光干涉仪测量到的研究计划，例如建议用新发现的双脉冲星（相互绕转的两颗中子星）所发射的脉冲来探测引力波辐射，比单个脉冲发射引力波的测量具有更高的精度，这对中国新建的望远镜用来探测引力波是个很好的机遇。
    国家天文台汤克云研究员等人在他们的报告中谈到，我国已有很多专家开展了引力波探测的理论研究和理论设想工作；他们认为我们的首要目标应是直接探测引力波。他们目前已与美国LIGO签订了合作备忘录。建议分三步走：第一步培养人；第二、第三步分别建一个40－100米和公里量级的激光干涉仪的引力波探测站，争取在今后10－20年测得引力波。
   重庆大学李芳昱教授建议了高频引力波的电磁探测方案。上海光机所王育竹院士提出了场移式原子钟的工作机制，用以获得高精度（频率差精度10-18）超窄原子跃迁谱线来测量引力波。

    三、引力理论与引力实验研究
   华中科技大学罗俊教授介绍了他们的近距离牛顿反平方定律的实验检验，这类试验可以提供高维空间的某些信息，从而为统一四种相互作用提供实验依据。他在报告中说，他们在亚毫米的力程范围检验牛顿反平方定律所获得的静态实验精度比当前国际上最好的实验结果改进了3倍；不久的将来，预期的静态实验结果将比国际上的实验精度提高一个数量级以上；随后将要进行的地面扭秤调制实验将把静态实验精度再提高一个量级；更远一些的“十一五”规划，他们将在空间卫星上进行更近距离（微米量级）的牛顿反平方定律检验，预期的实验精度将比目前国际上的提高近四个数量级。
   中科院紫金山天文台倪维斗研究员介绍了相对论性引力理论的实验基础及测试；预期在本世纪开始的30年间，测试相对论性引力理论的实验精度在各个方面均会提高3到6个数量级，这些发展将会重振人们对引力相互作用实验与理论方面的兴趣，且可能引导出对于宇宙的一些深邃问题的答案。
   北京师范大学赵峥教授报告了他对彭若斯与霍金证明奇性定理所用类光测地线的研究结果：发现此种具有共轭点的类光测地线固有加速度发散，此结论显示了奇性定理与热力学第三定律可能存在矛盾。
   紫金山天文台和南京师大顼重明教授介绍了先锋10号和11号宇宙飞船在深空区域存在加速度反常现象，围绕这一现象的问题目前已提出的传统物理学的和新物理学的十几种可能的解释，但是还没有一种被大家完全认可；此外，他还介绍了他们所做的加速度异常对行星轨道的可能影响（包括近日点进动等）的计算结果，这个结果或许可从另一方面确认在束缚态轨道中是否存在速度异常。
   方程建立起来的大爆炸宇宙模型即宇宙的标准模型已经获得许多天文观测数据的证实因而被科学家所认同。近几年的天文观测数据与大爆炸宇宙模型的拟合显示，我们的宇宙接近于平坦宇宙、早期宇宙存在一个短暂的暴涨时期、宇宙中约70%的物质是暗能量和25%的暗物质等等。但是，理论上还没有建立起完善的暴涨模型，也不清楚暗物质和暗能量的构成和本质。这些问题的答案有待于未来的理论和观测的进一步研究和探讨。本次会议在这方面进行了广泛深入的交流和讨论。
   理论物理所郭汉英研究员在报告中认为广义相对论不是一个完整体系，暗能量的观测事实暗示，作为广义相对论的基本出发点——相对性原理和宇宙学原理之间不协调，这表明相对论的空时理论和观念需要改变。他以相对性原理和普适常数原理为基本原理，在具有Beltrami度规的常曲率的De Sitter（DS）及反DS空时中来讨论引力和宇宙学问题。

    理论物理所蔡荣根研究员介绍了DS时空中宇宙常数Λ≠０和Λ～０ρｃ的宇宙特性（ρｃ为宇宙临界密度），以及与超对称的关系、宇宙熵含义、平坦模型中的暴涨模型等。
   上海师大童若轩教授介绍了把时空当作动态（即广义相对论）的历史，并回顾了一些广义相对论中需要把时与空分解的物理课题，例如能量、演化、正则量子化、数值相对论与引力波等等。

    四、相对论的相关问题
   1.关于“超光速”的研究
   高能物理研究所黄超光研究员的报告以王力军等人的实验为例分析了在反常色散介质中传播的光脉冲的形变问题，说明光脉冲在反常色散介质中传播时，其形变是不可忽略的。由于存在不可忽略的形变，脉冲就不能用单一的速度来描述，在各种速度中，真正能够对狭义相对论提出挑战的不是脉冲的群速度，而是脉冲的信号传递速度。由于脉冲的非解析点是此脉冲区别于彼脉冲的关键点，故这些非解析点的运动速度就为脉冲的信号速度确定了上限。具体分析表明，在王力军等人的实验中，这些非解析点的运动速度不会超过光速，因而，王力军等人的实验与狭义相对论并不矛盾。
   2．质能转换关系的应用方面
   理论物理所何祚庥院士介绍了能用一种定日镜+高转化率的聚光方案来高效低成本利用太阳能的方案；随后，陈裕明研究员介绍了核聚变与能源研究中的理论探索。
   3．相对论电子束的研究
   贺贤土院士、盛政明和朱少平研究员等介绍了利用超短脉冲超强激光与相对论等离子体相互作用来产生相对论电子束的几种机制和自生磁场对相对论电子束的准直作用的研究成果，并讨论了用于能量GeV以上的电子加速器和惯性约束聚变中快点火研究的可能。

五、布朗运动和光量子假说的有关问题
   在会议的分子运动专题方面，中科院理论物理所郝柏林院士介绍了爱因斯坦首次给出的布朗运动扩散长度与扩散系数及时间的开方关系，揭露了布朗运动的本质。从另一方面，建立在布朗运动理论基础上，从著名的爱因斯坦关系（扩散系数与粘滞性的联系）可以获得涨落耗散定理的雏形。布朗运动理论开启了数理科学描述自然界的随机运动的范式，形成了一个历百年不衰的活跃研究领域，并已应用到一系列的领域，甚至包括在生物物理领域。然而，在高等学校的物理教学中，这是一个没有被充分重视的方向。本报告拟通过对百年进展的扼要回顾来换起学术界的注意。
   此外，理论物理所欧阳钟灿院士扼要介绍了布朗运动研究的历史、一百多年以来的诺贝尔物理奖主要集中的领域、爱因斯坦论布朗运动的意义、一维随机行走与布朗运动、软物质与熵弹性、生物大分子在力作用下的随机行走、分子马达（蛋白质高分子在相互作用力下的随机行走引起的时间相关协同结构相变）及其运动性的研究等等。这些研究表明，爱因斯坦的布朗运动理论表示个别分子的随机布朗运动可以引起宏观观测的有序运动（如扩散），生物大分子的有序结构也是高分子在分子相互作用力作用下布朗运动引起的协同效应，生命是一种由熵驱动的新型物质运动；因而，布朗运动理论打开了非平衡统计物理的大门，对化学、生物学、经济和社会学的研究有着深远的影响。
   在固体量子论专题方面，理论物理所于渌院士介绍了固体量子论的百年发展历史：爱因斯坦1905年的光量子假说是个“革命性的”开端；1907年由这个假说解释了固体比热的困惑，开创了固体量子论。后来，量子力学的发明导致固体能带论的建立，为半导体电子学奠定了基础。以后的发展沿两条互补的道路前进：一方面从第一性原理出发，预言固体的性质；另一方面，更有成效的做法是在总结实验规律的基础上，从唯象到“微观”，逐步揭示新的现象和规律是如何“呈展”的。

   六、空间物理学
   中科院力学所胡文瑞院士概括介绍了利用空间微重力环境（卫星、飞船、空间站等）进行基础物理实验的国内外状况。这类实验包括引力理论和广义相对论验证、激光冷却和波色-爱因斯坦凝聚、低温凝聚态物理等。近十年来的发展形成了一个称为空间物理学（Physics in Space）的崭新领域。他的报告还介绍了我国开展空间基础物理研究的一些计划和设想。此外，中国运载火箭技术研究院第十二研究所林金研究员介绍了航天导航测量机制的启示和光速不变假设的试验验证。

    七、其他报告
   中科院紫金山天文台陆埮院士在题为《爱因斯坦与诺贝尔奖》的报告中简述了爱因斯坦的科学功绩、获奖项目以及爱因斯坦被提名获奖的情况；爱因斯坦至少还有6项工作导致了其他科学家因检验他的理论或发展他的理论而获得了诺贝尔奖；此外，爱因斯坦还有若干项的其它工作可能会导致将来诺贝尔奖的颁发。
   与会专家在报告之后的热烈讨论中，阐述了自己对未来物理学发展的观点、意见和建议。大家认为，伴随着相对论、量子论、粒子物理学和宇宙学的辉煌成就，众多待解决的重要物理问题已经呈现在我们面前；许多研究课题已不再能由单一学科所容纳，多学科的交流和交叉研究在所难免。因此，促进并加强不同学科之间的交流与合作乃是当前的重要任务。此次会议在不同基础物理学科的交流方面取得了非常好的效果。

   [科学时报]

　

http://www.sciencehuman.com/part ... 6/survey200603d.htm

长歌－废墟

　　写的还挺专业的，哈，我只对赵峥教授的内容有点认识，因为我曾拜读过赵教授的一本书，确实很有道理。在物理中出现类似奇点的情况几乎都表明这理论出了错误。

cycle_zzy

嘿嘿，不懂
凑热闹！