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宇宙中的规范对称性图景示意

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:这种物理荷本身,标志的是粒子系统构份在量子力学意义下的内部规范性质,并非直接与空时相关。它树立的将是自然界中的另一类经典规范对称性。这种对称性在场与粒子系统中的大范围整体贯彻,得到的是物理学中的各种守恒律与守恒荷,见表5.4中空时对称性的第2栏。表5.4宇宙中的规范对称性与四种相互作用

宇宙中的规范对称性图景示意

这样一来,按双变量理论的空时理论,由对称性演绎出的四种相互作用,在Minkowski度规的实际使用意义下,将具有一致性。这种一致性,使四种相互作用对于物质与空时而言,在宇宙中的基础地位,可统一如表5.4所示。该表简略地给出了宇宙中支配空时与引力的世界、粒子与场的世界的规范对称性和四种力的功能及产生的结果。

表中源自内部对称性的强、弱和电磁三种相互作用力,是由粒子(或态)携带的物理荷形成的对称群对其规范作用的定域化而产生。这种物理荷本身,标志的是粒子系统构份在量子力学意义下的内部规范性质,并非直接与空时相关。从而,与这样的荷分别对应的这三种力支持着的,是原子和亚原子粒子的形成,并从根本上支撑着宇宙中物质世界的存在。

引力(指引力扰动)则是从空时中被规范出来的力,可把宇宙中存在的物质,视为形成空时微分同胚群的“荷”。与粒子系统内部的作用力不同,这种荷作为引力物质源,在空时中产生的是力程最大但强度最弱的引力扰动。这种扰动,便是空时度量直接经受的(来自物质的)作为规范变换的微分同胚变换。由于这种变换是物理世界中的空时(即外部)变换,没有必要也不可能具有与内部变换完全相同的性质。它树立的将是自然界中的另一类经典规范对称性。

从而,空时与粒子系统作为被规范变换的对象,在定域变换下,将保持自身规律(或物理规律)不变,是宇宙中最高最基本的原则之一;这一原则下产生的结果是:四种相互作用力被规范出来,并与它们(或所携带的荷)形成共存的家族在支配着宇宙的存在、运行与演化。也可以讲,自然界中的四种相互作用力,均来自于各自对称性的定域化与演进。这种整体对称性的定域打破,使得空时和物质两种世界,在作为规范变换结果而出现的四种相互作用力的掌控下,从微观直到宏观,形成了动态统一和稳定的宇宙。这一图景下,当把空时与引力进行分离表述时,引力与其它三种力,将具有明显的共同性质与地位。从而,引力并不独立构成粒子存在的“弯曲背景”,也不宜迠立所谓“弯曲时空的量子场论”。

对空时自身而言,狭义相对论得到的Minkowski空时,是在光速与物理规律经受惯性系变换保持不变的条件下,得到的空间与时间之间的固定关系。如上二条件贯彻了空间时间形成4维空时的S—节律,同时为自然界中物理规律的存在与表述,准备了处于次生和临界地位的空时条件。这告诉我们的是,S—节律不变与物理规律的存在,是形成现实宇宙的根本条件。空时与由粒子形成的实体不同,它是由3维广延性和1维持续性组合而成的纯关系。人们对它的任何考察,都离不开与这种关系无法分开的具有实际惯性运动特征的坐标系。正是坐标系(或物体)的这种惯性运动,展现了空时编织不具背景的原始对称性,同时也揭示了空时的Lorentz不变性或ISO(3.1)对称性。这种对称性在场与粒子系统中的大范围整体贯彻,得到的是物理学中的各种守恒律与守恒荷,见表5.4中空时对称性的第2栏。这种不变性在空时的切空间上的局部存在,将标志空时自身度量的可能改变。这种改变与引力扰动可以具有数量上的等价性质,但无先验的理由,规定它们必须具有相同的物理效应及结果。例如,它们可以不具有四种相互作用力所表现出的效应,但却不能排除,具有其他的物理效应。(www.xing528.com)

在保障狭义与广义相对论分别作为空时与引力的(量子化)临界理论并成功对世界进行经典表述的地位之下,这种改变在宇宙中可能另有作为。这是宇宙学对空时的研究,需要打开的另一个探索方向。

这里指出,宇宙之大,也不排除人类了解的宇宙,其实有如舞台上上演的一出大戏。舞台之外的世界,与戏文并不相干,甚至可能上演别的戏文或根本没有戏文存在(参见表5.4中最后一栏)。与具体事物不同,宇宙是无限的,对宇宙的任何模型式研究,都无法避免地有局限性的思维被预输。而从物理学基本原理相结合的角度,开拓宇宙学的探索,将是发展宇宙学的一条具有根本意义的研究道路。

表5.4 宇宙中的规范对称性与四种相互作用

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