月归档：八月 2009

这里收集一些电磁斗篷文献。 实验上第一次实现电磁斗篷的文章，发表在Science上，是 Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies 摘要： A recently published theory has suggested that a cloak of invisibility is in principle possible, at least over a narrow frequency band. We describe here the first practical realization of such … 继续阅读 →

过去数年学术界一直时兴交叉，典型的有生物与物理学的交叉，金融与数学甚至物理学的交叉。这样的交叉是学科与学科之间的交叉，两个不同的学科本来隔得很远，而一个学科中的学者在学习另一个学科的背景知识和主要问题之后将本学科的方法和知识带到另一个学科，对那个学科发展起到极大的推动作用。所有这些交叉学科的研究其实都还处在起步阶段，前景不可限量。 这次我要谈的其实是一个大学科之内的不同的小学科之间的交叉，具体地说，就是弦论与凝聚态物理之间的交叉。表面看起来，一个学科不同分支的交叉是自然的，其实远不是如此。自然科学特别是物理学到了现代，分工越来越细，很少有人能够同时具备两个或更多不同分支的知识，更不用说做研究了。隔行如隔山这句成语在今天特别有效。 追踪历史，凝聚态物理一开始并不是一个独立的物理学分支。19世纪，麦克斯韦和玻尔兹曼等人发展了统计物理学，建立了热力学的微观基础，统计物理就是现代凝聚态物理的基础。那时，理论物理学家不认为理论物理学不同方向是分开的，他们中间有些人甚至还做实验，例如麦克斯韦本人。到了20世纪初，大多数理论物理学家还能研究理论物理中的任何一个方向，爱因斯坦就是一个典型的例子。其实，爱因斯坦甚至可以看作固体物理的奠基人之一，因为他用量子论解释了固体在极低温之下的零比热。 到了现代（大约1950年后），固体物理和内容更广泛的凝聚态物理才开始独立成为一个分支，其中的研究人员成为专门研究这个分支的专家。但是，凝聚态物理一直与理论物理的另一个大分支粒子物理有密不可分的关系，因为这些分支的基础都是量子力学，甚至量子场论。凝聚态物理更加关心一个系统在有限温度下的宏观性质，而粒子物理的大多数问题是少量粒子组成的系统的问题。当我们需要研究一个由很多粒子组成的系统，此时问题和研究方法与凝聚态物理并没有多少区别。仅有的不同是，凝聚态物理系统关心的是由分子原子或者电子组成的系统，而粒子物理则关心由基本粒子组成的系统，后者的基本组成部分在尺度上比前者的小。我们不能仅由这个区别就得出两个物理学分支研究的问题没有任何关系。 粒子物理在上世纪80年代初开始真正关心一个有温度的基本粒子系统，或者更准确地说，一个有限温度的量子场论。上世纪70年代发现了弱电统一理论，强相互作用理论也已成型，即量子色动力学，这两种理论都是规范场论。同时，暴涨宇宙学在80年代初期成为宇宙学研究的一个重要方向，而研究暴涨宇宙学需要考虑最基本的相互作用及其在有限温度下的性质。这样，有限温度场论就从那时起成了一个不大不小的研究领域。 凝聚态物理中的一大类问题可以用场论描述，特别是当一个系统处于临界状态。处于临界状态的最有名的例子是临界乳光现象。在70年代，用场论来研究临界现象一度风行，K. Wilson也因开创性研究获得诺贝尔奖。到了80年代中后期，弦论的研究涉及到2维场论，而这些2维场论恰好和研究临界现象的场论一样，正好可以描述同样维度下的临界现象。 所以，弦论早在80年代就和凝聚态物理有交叉了。最近一年来，这种交叉再次出现，但以完全不同的方式。

（下面是根据我去年在“量子力学在中国”的会议上的报告整理出来的文章，将发表在《现代物理学知识》，勿转） 直到上世纪60年代，爱因斯坦的广义相对论一直是理论物理中理论色彩最浓的一个分支，那时广义相对论的主要实验验证是水星近日点进动、太阳引力场中的光线弯曲、引力红移。直到宇宙学和涉及强引力场的一些天体物理问题成为实验（观测）领域后，广义相对论才成了和其他物理理论如粒子物理类似的学科。与此同时，人们开始尝试将引力和量子力学结合起来，这就是著名的量子引力或引力量子化问题。 在西方，最早研究引力量子化问题的有Feynman和DeWitt，他们的尝试虽然不成功，却留下了一些重要概念和方法，例如后来在研究规范场论量子化中起到重要作用的鬼场，引力的正则形式。其实，比Feynman和DeWitt更早对量子引力感兴趣的是Dirac，他研究了引力的正则形式，由此还发展了含有局域对称性和约束的动力学系统的研究方法。这些工作都成了经典。Feynman的老师John Wheeler也有一些早期贡献，例如以他和DeWitt命名的引力波动方程（即波函数所满足的哈密顿约束方程）。Veltman, `t Hooft在成功研究了规范场量子化之后，也尝试过研究引力量子化，得到了一些引力不可重正化的结论。 弦论则发端于1968年Veneziano散射振幅。这个散射振幅满足一些很特别的要求，例如所谓s道和t道对偶。人们发现，Veneziano振幅不能从只含有限个场的局域场论导出（这些场论中的散射振幅不可能具有对偶性）。将这个振幅分解为通常的Feynman规则给出的图，中间态包含无限多个粒子，这些粒子的自旋和质量没有上限。人们很快推广了Veneziano振幅，但目的都是描述强相互作用过程。Nambu和Susskind等人证明所有这些振幅描述的其实是弦和弦的散射过程，人们就这样偶然地发现了弦论，弦论不同于局域场论，但可以满足量子力学的一切要求。直到数年之后，Schwarz和Scherk，以及Yoneya独立地发现中间态总是包含一个质量为0自旋为2的粒子，而且低能相互作用就是引力相互作用。他们建议弦论可以被看作量子引力理论，因为在70年代中期，引力量子化依然是一个难题。