近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大學(xué)教授、亞太國際理論物理中心和中科院理論物理研究所研究員吳岳良，在揭秘愛因斯坦統(tǒng)一場論的研究中取得突破，創(chuàng)建了超統(tǒng)一場論（hyperunified field theory）。該理論受相對(duì)論性狄拉克旋量理論、愛因斯坦廣義相對(duì)論、楊-米爾斯規(guī)范理論和大統(tǒng)一理論的啟發(fā)，并基于吳岳良前期發(fā)展的引力量子場論的研究成果，為揭示愛因斯坦統(tǒng)一場論理念中的不解之謎，探索終極統(tǒng)一理論打開了一扇新窗口。

自1915年愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對(duì)論以來，物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家致力于構(gòu)建一套能夠統(tǒng)一描述自然界已知基本相互作用的理論。愛因斯坦進(jìn)行了長期且廣泛深入的探索，試圖在經(jīng)典統(tǒng)一場論框架內(nèi)建立描述電磁力和引力的統(tǒng)一理論。他花費(fèi)了后半生幾乎所有的時(shí)間探尋統(tǒng)一場論，盡管所有的嘗試最終未能取得成功，但其關(guān)于統(tǒng)一場論的理念一直延續(xù)至今。愛因斯坦統(tǒng)一場論之夢成為一代又一代理論物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家們所追求的夢想。

在超統(tǒng)一場論中，所有已知的基本粒子（夸克和輕子）統(tǒng)一成為十九維超時(shí)空（hyper-spacetime）中的單一基本粒子——馬約拉納型超旋量場（Majorana-type hyper-spinor field），其旋量結(jié)構(gòu)由基本粒子超自旋荷（hyper-spin charge）的量子特性所決定。所有已知的基本相互作用（引力、電磁、弱和強(qiáng)作用力）由超旋量場的超自旋規(guī)范對(duì)稱性（hyper-spin gauge symmetry）統(tǒng)一支配，并由超自旋規(guī)范場（hyper-spin gauge field）和與之相伴隨的超引力場（hyper-gravifield）統(tǒng)一描述。

超統(tǒng)一場論的建立遵從兩個(gè)基本指導(dǎo)原則：一是基本粒子的內(nèi)稟量子數(shù)和獨(dú)立自由度決定時(shí)空的維度與結(jié)構(gòu)；二是描述自然規(guī)律的作用量遵循規(guī)范不變?cè)砬遗c坐標(biāo)選取無關(guān)。原則之一使基本粒子的內(nèi)稟特性和對(duì)稱性與時(shí)空的幾何特性和對(duì)稱性建立起對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致所有基本粒子合并統(tǒng)一成為超時(shí)空中的超旋量場，超旋量場的旋量結(jié)構(gòu)反映超時(shí)空的幾何性質(zhì)。原則之二導(dǎo)致局域平坦超引力場時(shí)空（locallyflat hyper-gravifield spacetime）作為自然演生（emergent）的非坐標(biāo)內(nèi)稟超時(shí)空而呈現(xiàn)，使所有基本相互作用統(tǒng)一成為超引力場時(shí)空中的超自旋規(guī)范相互作用（hyper-spin gauge interaction）。由此導(dǎo)出規(guī)范-引力對(duì)應(yīng)原理（gauge-gravity correspondence）。

基于構(gòu)建超統(tǒng)一場論的基本原理，自然地引入雙標(biāo)架超時(shí)空（biframe hyper-spacetime）概念，并賦予高維超時(shí)空以物理和幾何涵義。標(biāo)架之一是整體平坦的閔氏超時(shí)空，起慣性參考系的作用，能很好地定義坐標(biāo)時(shí)空的度量和物理守恒量，用以描述基本場的運(yùn)動(dòng)學(xué)；另一標(biāo)架則是局域平坦的超引力場時(shí)空，起著傳遞局域相互作用和能量的作用，能很好地定義和表征基本場內(nèi)稟自由度之間的相干關(guān)聯(lián)和規(guī)范守恒流，用以刻畫基本場的動(dòng)力學(xué)。數(shù)學(xué)上，雙標(biāo)架超時(shí)空形成幾何的纖維叢結(jié)構(gòu)，整體平坦的閔氏超時(shí)空和局域平坦的超引力場時(shí)空分別作為纖維叢的底時(shí)空和其纖維。作為底時(shí)空的閔氏超時(shí)空是一個(gè)沒有相互作用存在的真空超時(shí)空，而當(dāng)作纖維的超引力場時(shí)空是一個(gè)具有非對(duì)易幾何結(jié)構(gòu)的真實(shí)超時(shí)空，其非對(duì)易性由超引力場的規(guī)范場強(qiáng)來刻畫。超引力場時(shí)空構(gòu)成一個(gè)實(shí)在宇宙，原則上可由基本場的相互作用探測其性質(zhì)。

在引力量子場論的理論框架下，超統(tǒng)一場論具有閔氏超時(shí)空的最大龐加萊對(duì)稱性（非齊次洛倫茨對(duì)稱性）PO(1,18)和超引力場時(shí)空的最大超自旋規(guī)范對(duì)稱性SP(1,18)以及整體和局域的標(biāo)度對(duì)稱性?？蓪?dǎo)出所有對(duì)稱性對(duì)應(yīng)的守恒定律和基本場的運(yùn)動(dòng)方程，尤其是包含超引力場能動(dòng)量在內(nèi)的總的超應(yīng)力能動(dòng)量張量守恒定律（hyper-stress energy momentum conservation law）。給出由守恒的雙協(xié)變超矢量流所支配的超引力場的規(guī)范引力方程，并借此導(dǎo)出由守恒的超應(yīng)力能動(dòng)量張量所決定的超度規(guī)引力場的幾何引力方程。超應(yīng)力能動(dòng)量張量的對(duì)稱部分對(duì)應(yīng)于超時(shí)空中推廣的愛因斯坦引力場方程。超統(tǒng)一場論的標(biāo)度規(guī)范不變性由標(biāo)度標(biāo)量場和標(biāo)度規(guī)范場刻畫，對(duì)研究宇宙的基本能量標(biāo)度以及宇宙的起源和演化起基礎(chǔ)性作用。

超引力場作為定義在雙標(biāo)架超時(shí)空中的雙協(xié)變矢量場（bicovariant vector field），是一個(gè)規(guī)范型矢量場，也起著Goldstone玻色場的作用。作為Goldstone玻色場的超引力場的對(duì)稱變換決定超自旋規(guī)范對(duì)稱性，從而揭示規(guī)范對(duì)稱性的引力起源。

超統(tǒng)一場論的超時(shí)空被證明具有隱性廣義線性群對(duì)稱性GL(19,R)（hidden general linear group symmetry），在四維時(shí)空中，此對(duì)稱性奠定了愛因斯坦廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)。論證表明，超引力場的規(guī)范相互作用可等效為超時(shí)空度規(guī)聯(lián)絡(luò)的相互作用，并由超時(shí)空黎曼幾何的曲率張量來描述。由此導(dǎo)出引力-幾何對(duì)應(yīng)原理（gravity-geometry correspondence）。

基于廣義標(biāo)度規(guī)范不變條件和幺正規(guī)范固定條件，研究表明，超引力場的規(guī)范動(dòng)力學(xué)完全等價(jià)于超引力度規(guī)場（hyper-gravimetric field）的幾何動(dòng)力學(xué)，由此揭示引力的規(guī)范-幾何對(duì)偶性質(zhì)（gravitational gauge-geometry duality）。最終得出結(jié)論：構(gòu)建超統(tǒng)一場論所遵循的基本原理比愛因斯坦建立廣義相對(duì)論所假設(shè)的廣義協(xié)變?cè)砀竞透毡椤?/span>

超統(tǒng)一場論的建立涉及對(duì)時(shí)空觀念、幾何觀念和宇宙觀念以及物質(zhì)觀念和能量觀念的重新認(rèn)識(shí)。該理論預(yù)言新的矢量型夸克和輕子、鏡像夸克和輕子、多重態(tài)規(guī)范矢量玻色子和有效標(biāo)量玻色子等新粒子以及自旋力和標(biāo)度力等新的相互作用力的存在。深入研究超統(tǒng)一場論的動(dòng)力學(xué)和新物理唯象、探索對(duì)稱破缺機(jī)制和維數(shù)約化模型以及探測引力波的基本性質(zhì)和引力宇宙，將對(duì)深刻認(rèn)識(shí)四維時(shí)空結(jié)構(gòu)的生存宇宙，理解引力本質(zhì)、宇宙起源、質(zhì)量起源、暗物質(zhì)和暗能量等基本科學(xué)問題，以及檢驗(yàn)超統(tǒng)一場論和探秘自然界基本規(guī)律起重要作用。

相關(guān)研究成果發(fā)表在The European Physical Journal C上。研究工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。

超統(tǒng)一場論中超引力場的規(guī)范引力方程

引力量子場論理論框架下給出的規(guī)范不變超統(tǒng)一場論作用量

引力規(guī)范幾何對(duì)偶性導(dǎo)出的廣義坐標(biāo)不變超統(tǒng)一場論作用量

（來源：中國科學(xué)院）