“非常有趣，我有很多很多問(wèn)題！”“入場(chǎng)券1000元也值得”……

近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院理論物理研究所研究員吳岳良在“彭桓武前沿科學(xué)論壇”上講述了一場(chǎng)既浪漫又“燒腦”的報告《超統一場(chǎng)論的基礎——宇宙和物質(zhì)起源與時(shí)空和引力本質(zhì)》，反響熱烈。

100年前，“統一場(chǎng)論”的理念被提出，偉大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦花費了后半生幾乎所有的時(shí)間，試圖在經(jīng)典場(chǎng)論框架內統一引力與電磁力，盡管未能取得成功，但“統一場(chǎng)論”的理念一直延續至今。

時(shí)至今日，“統一場(chǎng)論”已成為理論物理學(xué)家和數學(xué)物理家所追求的夢(mèng)想。

1996年，吳岳良回國后與周光召開(kāi)始共同研究大一統理論。次年，他們在《中國科學(xué)》雜志發(fā)表了題為《對所有基本力的一種可能的統一模型》的研究論文，這是他們最初的想法。

20多年來(lái)，吳岳良提出了超統一場(chǎng)論，但在走向大一統的路上仍存在諸多挑戰和謎題。

隨著(zhù)人們對量子理論和相對論的深入研究與發(fā)展，如何在以量子力學(xué)和狹義相對論成功結合而建立的量子場(chǎng)論的理論框架下，將描述自然界三種基本相互作用的粒子物理標準模型，與描述引力相互作用的愛(ài)因斯坦廣義相對論自洽地協(xié)調和統一起來(lái)？

這是從量子到宇宙的“量子-宇宙物理”研究亟須回答和解決的一個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題。

吳岳良從人類(lèi)對于極小量子粒子與極大膨脹宇宙的認知講起。他指出，根據粒子物理標準模型，唯一尚未得到實(shí)驗證實(shí)的只剩下傳遞引力相互作用的引力子，與此同時(shí)，95%的引力宇宙（暗物質(zhì)+暗能量）尚未認識。

愛(ài)因斯坦1915年創(chuàng )立的廣義相對論無(wú)疑是人類(lèi)認識宇宙征途中的一大成功，并起著(zhù)極大的推動(dòng)作用。

愛(ài)因斯坦的幾何引力方程組（10個(gè)）奠定了經(jīng)典引力理論的基礎。盡管1905年愛(ài)因斯坦提出了光量子，1913年玻爾基于量子概念提出了原子模型，不過(guò)，基本物理規律還沒(méi)有完全沖破經(jīng)典物理，仍以經(jīng)典理論為主導，人們還不知道電子作為一種量子場(chǎng)的運動(dòng)規律是什么。量子力學(xué)和量子場(chǎng)論尚未建立起來(lái)。

“那個(gè)時(shí)代，引力場(chǎng)是用彎曲時(shí)空的幾何動(dòng)力學(xué)來(lái)描述的，我們可以想象任何物理現象和物理實(shí)驗總是要受當時(shí)實(shí)驗條件和已知物理規律的局限?！眳窃懒颊f(shuō)。

吳岳良表示，從愛(ài)因斯坦“統一場(chǎng)論”的思想中，我們有所啟發(fā)：愛(ài)因斯坦探索“統一場(chǎng)論”受當時(shí)人們對物質(zhì)基本組元和深層結構認識的局限。廣義相對論刻畫(huà)的引力由坐標時(shí)空的對稱(chēng)性支配，而電磁相互作用由物質(zhì)基本組元的內部規范對稱(chēng)性支配。僅從時(shí)空和幾何出發(fā)，沿著(zhù)純時(shí)空和幾何學(xué)方向探索“統一場(chǎng)論”是走不通的。

首先在概念上就遇到了困難。正如“NO-GO Theorem”（此路不通定理）所表明的，不可能把時(shí)空對稱(chēng)性與基本物質(zhì)場(chǎng)的內部對稱(chēng)性統一起來(lái)。而此定理一直影響著(zhù)由時(shí)空幾何對稱(chēng)性支配的愛(ài)因斯坦廣義相對論與由基本物質(zhì)場(chǎng)的內部規范對稱(chēng)性支配的電、弱、強三種基本相互作用力之間建立的“統一理論”。

基于過(guò)去的啟示和挑戰，吳岳良提出了建立在量子場(chǎng)論框架下的超統一場(chǎng)論。

“突破‘此路不通定理’，在19維超時(shí)空中建立完整的超統一場(chǎng)論，不僅把所有已發(fā)現的輕子和夸克統一到超統一量子比特旋量場(chǎng)中，而且把所有已知的基本力統一到由非齊次超自旋規范對稱(chēng)性支配的超統一規范相互作用中?！眳窃懒冀忉屨f(shuō)。

最近，吳岳良將自己的研究成果整理成題為《超統一場(chǎng)論的基礎——基本構造塊和對稱(chēng)性與基本相互作用和宇宙演化》的專(zhuān)著(zhù)，獻給恩師周光召和彭桓武這兩位理論物理前輩。

這為解決廣義相對論和量子力學(xué)不可調和的矛盾找到了一條解決途徑，同時(shí)為統一所有基本粒子和相互作用找到一個(gè)理論。那么，如何檢驗這條路線(xiàn)呢？

空間引力波探測提供了一條途徑。2016年，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布探測到了雙黑洞合并事件的引力波。同年，中國科學(xué)院宣布我國實(shí)施引力波空間探測計劃——“太極計劃”，該計劃最早可追溯到2008年，由胡文瑞組織我國科學(xué)家進(jìn)行的研討和論證。目前，由吳岳良擔任首席科學(xué)家的“太極計劃”已規劃好三步走發(fā)展路線(xiàn)圖，計劃到2032年前后“太極三號”發(fā)射升空，實(shí)現探測各種引力波天體源及認知引力宇宙。

吳岳良指出，空間引力波探測的研究對象囊括了由近到遠、由小到大極為豐富的引力波源，探測的范圍覆蓋幾乎整個(gè)宇宙空間。目前“太極二號”已完成方案認證，也完成了關(guān)鍵技術(shù)地面攻關(guān)。

講座最后，吳岳良特別講述了理論物理、科學(xué)革命與工業(yè)革命密不可分的聯(lián)系，他表示，理論物理是基礎科學(xué)之基礎。世界科技史表明，一旦基礎科學(xué)研究使得科學(xué)理論獲得根本性的重大突破，必將導致科學(xué)革命，并促進(jìn)多學(xué)科的交叉融合和應用基礎研究的創(chuàng )新，引發(fā)變革性技術(shù)和顛覆性技術(shù)的涌現，點(diǎn)燃相應的工業(yè)革命。

“暗物質(zhì)和暗能量被認為是21世紀物理學(xué)存在的兩朵‘大烏云’，廣義相對論與量子力學(xué)的結合是21世紀物理學(xué)面臨的重大挑戰和機遇?！痹趨窃懒伎磥?lái)，宇宙物理的突破將引發(fā)21世紀物理學(xué)又一次革命性突破，促進(jìn)人們對引力本質(zhì)、時(shí)空結構、物質(zhì)起源和宇宙起源等的重新認識。

“前三次科學(xué)革命都啟示理論物理起到了基礎科學(xué)之基礎的重要作用。在新科技革命的前夜，理論物理研究應為新理論的建立和發(fā)展發(fā)揮應有的重要作用?！眳窃懒己粲?。

來(lái)源：《中國科學(xué)報》