Physics 版 (精华区)

发信人: Landau (朗道), 信区: Physics
标  题: 世纪之交的理论物理学(2)
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年10月26日21:39:20 星期五), 站内信件

发信人: Kernel (江山如画), 信区: Physics
标  题: 世纪之交的理论物理学(中) (转载)
发信站: 日月光华站 (Sun Oct 21 10:39:08 2001) , 站内信件

【 以下文字转载自 FDU_Physics 讨论区 】
【 原文由 Gabriel 所发表 】
发信人: whbing (Rabbit★深居简出), 信区: physics
标  题: 世纪之交的理论物理学(中)
发信站: BBS 曙光站 (Sun Oct 14 11:11:10 2001)
世纪之交的理论物理学(中)
另一个寄希望于量子引力的问题，便是星体的坦塌……
星体坦塌，或者说引力坦塌(GRAVITYCOLLAPSE)是依然未能解决的一个问题，
也许可以说是当今经典广义相对论所面临的主要问题。
它可以简单地表述为星体因为引力的吸引而最终演化的结果是什么。由爱因
斯坦引力方程，我们知道，若果星体的质量比五倍的太阳质量还小的话，那
么星体将最终演化为中子星或白矮星而达到稳定状态，其中是因为粒子之间
的碰撞所产生的排斥足以抗衡引力的作用。
但是，如果星体的质量比五倍的太阳质量还要大的话，那么星体将因强大的
引力而无法避免地继续坦塌下去，而最终导致黑洞或裸奇点的出现。
黑洞，是大家在科普书上司空见惯了的东西。简单说来，它是那样的一个时
空区，其中的引力是如此之强，乃至连光都无法逃逸出来，从而是个绝对的
黑体。而黑洞外面的观者，除了有可能知道它的质量，角动量和电量等有限
的几个量之外，将对黑洞其它信息，毫无所知，这被称之为黑洞的无毛定理。
的几个量之外，将对黑洞其它信息，毫无所知，这被称之为黑洞的无毛定理。
在黑洞的“里面”，往往有这样一个点或区域，其时空的曲率是无穷大而发
散的，被称为奇点。黑洞中尽管有奇点的存在，但在经典的意义上，它不是
一个有害的东西。这主要是黑洞“边沿”，事件视界的存在。笼统地说，这
样的一个视界，是黑洞内部与外界的一个分界，而黑洞外界的观者，永远
“看”不到黑洞的“里面”因为无光从那儿跑出来。里面的奇点，从而被这
样一个视界包裹了起来，对外部的物理世界够不成威胁，比方说破坏时空的
因果结构等。
但是，若果星体坦塌过程中，黑洞视界的形成还晚于奇点的产生的话，那这
样的一个奇点，就成为裸奇点。这在现实物质世界中，是无法接受的。它将
破坏时空的定义和其结构。所以我们必须找到一个方法，避免裸奇点的产生。
引力坦塌，到底是形成黑洞，还是裸奇点，取决于星体的初始条件！比如说，
星体若是球对称而且均匀的话，那么就只会形成黑洞，而避免裸奇点的出现。
在此基础上，彭罗斯(PENROSE)提出了所谓的宇宙监督假设，粗略说来那便
是，现在我们的宇宙，由那样的一个初始条件演化而来，那样的一个初始条
件，禁止裸奇点的产生。这样的一个假设，虽然有效，但未免有些牵强，而
且近来许多进一步的研究表明，在很多一般的初始条件下，裸奇点往往会产
生。从而在经典范围内，研究的一个领域，便是怎样推广彭罗斯的假设，使
得它更为合理。而另外一条出路，便是寻求量子引力这样一条新途径。
因为以上的推论，都是在经典广义相对论下得出的。另一方面我们却相信，
在引力场非常强的情况下，经典理论应该不再适用，而应该被量子理论所替
代。那么也许在量子引力的框架内，时空本身的涨落能够使得裸奇点极不稳
定或是根本不出现。人们这样的一种想法，随着七十年代黑洞热力学的产生，
定或是根本不出现。人们这样的一种想法，随着七十年代黑洞热力学的产生，
而进一步变得明确……
黑洞热力学的研究始于七十年代初。它最重要的结果有两个。一个是完全类
似于普通热力学，有四个黑洞热力学定律被建立起来。另一个结果倒在科学
之外----它再一次将充满了高深数学的理论物理推向大众，同时使其中的主
将，斯蒂芬·霍金(S·HAWKING)脱颖而出而成为一位传奇式的人物(这当然
部分还由于他在量子宇宙学中的工作)。这儿且不去论有关霍金的许多传闻，
只是想首先肯定他在这样一个工作中所起的非凡作用，同时想强调其实另有
许多为大众所不知的人，在此过程中同样作了许多漂亮的工作，象彭罗斯
(PENROSE)，贝肯斯坦(BEKENSTEIN)，安茹(UNRUH)等等。
黑洞热力学中的四个定律，粗略说来，可以被如下表述。热力学中的第零定
理称如果一个系统处于平衡状态，那么它的温度处处相同，而黑洞热力学称
如果黑洞处于稳定状态，那么它事件视界上的表面引力将是一个常数，(由
此应看到黑洞的表面引力常数与温度相对应)。黑洞热力学第一定律是将熵的
微商与黑洞质量，角动量等的改变联系起来。而黑洞第二定律称黑洞的视界
面积永不减少，正如普通热力学的第二定律，称系统的熵永不减少一样，由
此我们也看到黑洞的面积与黑洞熵之间，有着深刻的联系。至于黑洞的第三
定律，则称黑洞表面引力常数，不能通过有限的途径减少至零，正如我们在
普通热力学中常说绝对零度永远不能达到一样。
尽管由以上的定律，我们能够看到黑洞许多量，与热力学中的量有类比性，
比如说表面引力同温度，面积同熵。但表面引力毕竟是表面引力，温度终究
是温度！怎样确切证实黑洞有物理上的温度，必须研究黑洞的热效应。这样
一个有代表性的工作，便是霍金辐射。霍金辐射的产生，是建立在一门半经
一个有代表性的工作，便是霍金辐射。霍金辐射的产生，是建立在一门半经
典半量子的学科之上。这门学科被称为弯曲时空中的量子场论。它研究的主
要对象，是物质场在弯曲时空背景上的量子行为。当霍金把它用于研究黑洞
时，便发觉黑洞在考虑了量子场论的效应之后，不再是“绝对黑”的了，它
会通过量子途径向外界进行热辐射！从而表明了黑洞真的有物理温度，有熵，
从而有微观自由度！
但很快，人们便意识到这样一门半经典学科的局限性。首先从普通的统计力
学得知，任何宏观的熵，都有它微观的统计解释。它是一个衡量系统微观自
由度的多少的量。但是怎样从统计学的角度来理解黑洞熵产生的根源，已不
是弯曲时空量子场论这门半经典的学科所能作到的了。因为在这样的范围内，
只有物质场是量子化了的，而时空背景却依然是经典的。理解黑洞的熵，必
须进一步理解时空本身的微观自由度。而这样一个课题，正是量子引力所要
解决的一个中心问题。
九十年代中后期，已有一些学派在黑洞的统计熵上面取得了突破性的进展。
其中最为突出的两个途径，来自超弦理论和非微扰量子引力……
没有一点超弦理论的背景，要一下子说清楚其怎样在黑洞统计熵上做出了突
破性的进展，似乎不太容易。所以不妨先回过头，再看看超弦发展的过程。
首先弦理论是高能理论物理的一个分支。它怎样渗透到相对论和宇宙学的研
究领域来，本身就有一段让人寻味的历史。
在现代理论物理学史上，始终是有两条线的。一条以相对论为轴，一条以粒
子物理为轴(至于非线性科学和混沌，恕我知之甚少，不在此文涉及)。相互
间虽有渗透，但研究的领域毕竟是很不同的，特别是在隔行如隔山的今天。
从而对同一事物的看法，也是存在分歧的，研究者只是因各自的研究而各取
从而对同一事物的看法，也是存在分歧的，研究者只是因各自的研究而各取
所需罢了。这样的分歧，一直可以追叙到早期爱因斯坦和波尔的那场世纪之
争上面去。但自此后，相对论者，只管研究时间与空间的性质，主要兴趣也
停留在经典的范围，和时空的整体几何性质；粒子物理学家，只管研究物质
粒子之间的相互作用，算传播子，算散射矩阵和散射截面，至于粒子存在的
时空背景，取平直时空的近似也足够用了。至此可以说，井水不犯河水。
超弦理论，是顺着粒子(高能)物理这条线下来的。自有了标准模型(一个基于
对称群SU(3)*SU(2)*U(1)的规范理论)之后，强，弱电三种相互作用至少唯象
上，已经统一得很好了。但是这个模型中，有许多自由的参数，理论本身不
能给出它们的值，需靠实验来测得。但自然界为什么偏偏取这些值而不是其
它值呢？标准模型自己无法说明，也就无法成为统一理论的最终形式。
另外我说统一是唯象的，是因为这个理论中，不同的相互作用依然用不同的
耦合常数，与三个群的李代数相对映，不是真正意义上的统一。所以有人考
虑了单一的更高对称群SU(5)的规范理论，从而将夸克和轻子合并成为同一个
群的基础表示，这样夸克和轻子间可以在对称群作用下相互转化，从而在高
能区可视为同一物体的不同侧面。
而且理论对称性被一个群所表述，从而只有一个耦合常数，这方是真正意义
下的同一。但是这样一个被称为巨统一模型的理论，随之便有一个无法克服
的困难，便是质子衰变。因为质子由夸克构成，夸克与轻子可以转化，也就
因为着夸克的组合态--质子可以衰变为轻子。由巨统一模型预言的寿命，比
实际测得的质子寿命要短得多，这在我看来，几乎可以说是对这样一个理论，
和采用更大的普通对称群的思路，判了死刑。当然它同样有自由参数过多的
毛病。
毛病。
另外一个大难题，前面已经说得很多了，便是怎样将引力相互作用考虑进来。
这时微扰量子场论算出的结果，就是发散，而且这样的发散不可重整化(注：
有些理论能够克服重整化的困难，但是它所倚赖作微扰展开的真空却是不稳
定的，这同样是致命的困难。)怎样克服不可重整化这个根本性的困难，人们
必需另找出路。弦理论也正是在这样一个背景下从粒子物理中脱颖而出……
首先看清量子场论中，发散和重整化的物理本质是什么，也许有助于我们理
解弦论和非微扰量子引力为什么能成为当今研究引力场量子化的主流。
发散在量子场论中，有可重整化和不可重整化之分，其中不可重整化的发散，
方是物理学研究中的主要问题。而发散的根源，在于我们假设了基本粒子具
有点状的理想结构。在采用微扰论时，若果粒子在位形空间中有确定的值，
那么在作微扰展开时，在动量空间里我们对内线圈图上的动量就没有限制(由
测不准原理)，需要对所有可能的动量值积分，乃至无穷大，这导致积出的结
果，也往往是发散的。而重整化的一个思想，便是设法先将动量在某一值上
截断，形式上得到一个有限大小的值，然后我们再对这一个值作处理，“抽
出”其中与截断无关的量，作为物理上能够测得的真实值，而其它一些与截
断参量有关的量呢，虽然会随着截断参量的延伸而趋于发散，但我们可以很
巧妙地将它吸收到一些物理参量中去(如电荷，质量等)，而不再理它！虽然
这是一个很难让人理解并接受的手段，但行之有效。那么，重整化的根本在
于什么？根源在于它把这些发散的项，扔给了基本粒子赖以存在的背景----
时空！这也正是量子广义相对论在微扰论中不可重整化的根源！因为我们现
在已在把时空本身作为我们的研究对象！那样一些无穷大的发散，再扔给
谁？我们无处可扔！
方是物理学研究中的主要问题。而发散的根源，在于我们假设了基本粒子具

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    Jiang Zemin stressed the CPC must always represent
the development trend of China's advanced productive
forces, the orientation of China's advanced culture, and
the fundamental interests of the overwhelming majority
of the people.

※ 来源:·日月光华站 bbs.fudan.edu.cn·[FROM: 10.13.20.26]

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Landau：当一个方程的待定参数达到5个，就可以拟合出一只大象。
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※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.247.27]
※ 修改:·Landau 於 10月26日21:40:05 修改本文·[FROM: 202.118.247.27]