尘封的往事:量子场论研究的“中国魔术”

作者:张轩中来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-10-18

谁敢说中国的理论物理学家30年来没有原创性的工作……

  2016年的10月10日到21日,一场关于量子场论中的散射振幅的workshop在位于北京北四环的中科院卡弗里理论物理所举行。这workshop的中国当地组织者是来自浙江大学的冯波、来自科学院理论物理所的何颂以及杨刚。

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(workshop海报/吴俊宝摄)

  表面上看起来,这场报告波澜不惊。除了预定在10月19日有一场来自普林斯顿高等研究院的Nima  Arkani-Hamed的报告也许会吸引一点大众的眼球,其他部分似乎隐藏在这个钢筋水泥的大都市的最不为人注意的角落。

  是的,这是一群研究量子场论中的“散射振幅”的人。他们中的年轻人也许是中国新一代科学家的缩影,比如说冯波,曾经与物理学教皇威腾等人合作有一个振奋人心的工作:BCFW散射振幅计算公式。懂行的人告诉笔者,在这里,F就是冯波,而W就是鼎鼎大名的威腾。

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                                                   冯波(来源:网络)

  也许在普通老百姓的印象中,理论物理太过高冷。很多人会误认为中国的理论物理发展缺乏激动人心而且广为人知的研究工作。而实际上并不是这样的,中国理论物理研究有很多成就。正如本次量子场论中的散射振幅workshop所折射的那样。本次wokshop折射了量子场论研究中的中国传统,这一传统曾经被威腾等人称为“中国魔术”(chinese  magic)。

  而要让中国的普罗大众理解这具有中国特色的“魔术”却并不是容易的事情。几经辗转,中国科学院大学的乔从丰老师向笔者透露,威腾等人所称的“中国魔术”,主要的工作与徐湛、张达华、张礼等老师的工作有关。说完这句话,乔老师就建议笔者去联系这些老师进行访谈,在经过几次努力后,笔者决定自己来写这个文章。

  北京师范大学物理系的张宏宝老师告诉笔者,“中国魔术”核心的思想在于“旋量”。张老师同时指出,“就是你熟悉的彭罗斯的那个旋量与扭量那一套东西。”

  如此说来,事情可以从文革结束以后说起,那时候发生了“科学的春天”,很多人回到了研究岗位。徐湛老师也从四川乐山的一个中学回到了清华大学从事教学与研究工作。而国际的学术圈内也发生了一件大事,那就是1979年丘成桐与孙理查证明了广义相对论的正质量定理。那时候科学院理论物理所把丘成桐请来报告了这一个重要进展。

  科学院数学所的陆启铿曾经与理论物理学家郭汉英等人在文革期间学习相对论,他也去听了丘成桐的报告。他听了丘成桐的相对论的报告后,作为一个应用数学家, 陆启铿用旋量分析的方法处理了引力波的数学结构。在旋量分析的角度来看,引力波可以看成是时空中的外尔曲率的波动,而因为外尔曲率的反对称性质,总可以写成很清晰的旋量形式。用旋量分析的方法研究了引力波的运动方程,这种研究方法比1987年出版的彭罗斯与人合著的《旋量与时空》一书中的类似的结果还要早一些。

  后来美国人威腾出来,用旋量的手法重新证明了正质量猜想。

  因此可以看出,其实在这个时候,旋量语言在中国学术圈也已经成为理解理论物理学的一个基本语言。中国人一点也不落后。

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徐湛(来源:网络)

  差不多也就在同一个时期,1980年代中期,针对非阿贝尔规范场论中散射振幅的计算复杂性 ,徐湛老师与张达华、张礼等人想到了用旋量来处理量子场论中的散射振幅问题,他们提出了“旋量演算”的方法,这个方法被国际同行称为“中国魔术”。

  这里要简单介绍一下张达华老师,他是中国科学院高能物理研究所的研究员。他的祖父张澜,就是在开国大典上站在毛主席边上的白胡子老爷爷(民主同盟的创始人、朱德与罗瑞卿的师长)。因此,张达华老师与郭汉英教授一样都是名门之后,而且都是物理学家,他们也许会在聊天的时候谈到“旋量”。

        张礼是清华大学教授,曾经翻译有徐一鸿的《可怕的对称》。(此书由清华大学出版社出版,属于“理解科学”丛书,本文作者也有一本科普书《日出》收录在此丛书里。)

  那么,话说回来,为什么旋量可以处理散射振幅呢?这可是“中国魔术”中最精彩的部分。

  原来,“中国魔术”只处理无质量的粒子。一个无质量的粒子,在时空当中来看它,它的世界线是类光的。而根据旋量的描述,一个类光矢量总可以开根号,得到一个旋量。所以,如果考虑无质量粒子(比如光子,比如引力子,比如胶子)之间的散射,那么就可以用旋量来简化一些不必要的计算细节(计算结论与相互作用的类型无关,这一点是非常强悍的),从而直接得到非常清晰的结论,因此这一工作也就被称为“中国魔术”。

  目前已经有很多活跃在中国高能物理领域的研究者意识到“中国魔术”发表30周年后已经产生了非常深远的影响。“中国魔术”也许对我们理解量子引力的本质也会起来一定的指引作用。

  因此,如果谁敢说中国的高能与理论物理学家30年来没有原创性的工作,那么可以直接把“中国魔术”丢到他的脸上……

  (本文作者对“中国魔术”的发现细节了解非常匮乏,此文发表时未经文中出现的科学家们的审阅)

 

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