中國當代物理學進展: 相對論、引力理論和量子場論

　　在20世紀50年代，中國的理論物理研究主要集中於對國防建設有直接意義的原子核理論以及基本粒子理論等方面。1978年，中國科學院建立了理論物理研究所，從此開始有計劃地開展理論物理各個方面的研究工作。

　　1981～1983年，中國科學院理論物理所郭漢英、陸啟鏗等對70年代中由H.D.Wahlquist和F.B.Estabrook（W.E）建立的“非線性演化方程的延拓結構”進行考察和研究，抓住W.E方法中所缺乏的協變性問題，運用聯絡論的非線性實現的理論工具，提出了協變延拓結構理論，從而把W.E的方法協變化。在此基礎上討論了一系列非線性系統如： kdv方程、Mkdv方程、S-G方程、Emst方程等的協變延拓結構，並且得到了Ernst方程的N重多孤子解和帶電的Emst方程的N重多孤子解。

　　80年代後期，北京師範大學梁燦彬等在奇異性的邊界理論方面做了較全面的研究，發現了這一理論的缺陷。劉遼研究小組在課題“黑洞奇點及宇宙論”的研究中，提出了研究黑洞反作用的新的熱力學方法。

　　1979年，周培源從他一直認為在廣義相對論引力論中的坐標是有物理意義的思想出發，把嚴格的諧和條件作為一個物理條件引入引力論中。他與同事一起研究了無限平面、無限長杆、迴繞着無限長杆軸做勻速轉動的穩態解和嚴格的平面波解。80年代後期，周培源的學生李永貴進行與地面平行和與地面垂直的兩種光速的比較實驗。對於靜態球對稱引力場，根據史瓦西解，與地面成垂直和與地面平行的兩種光速的一級近似之差與光速c的比值（△c/c）為 7×10-10；而根據郎曲斯解，在同一級近似下，這一比值為零。李永貴的初步實驗結果是，在準確度達到10-9時，這兩種光速是相等的，證明了郎曲斯解符合靜態球對稱引力場的客觀實際。這個實驗仍在繼續，旨在取得更高一級的精確度的實驗結果。

　　1987年，周培源和他的博士研究生黃超光合作，把諧和條件引用到宇宙論中。這與用坐標變換法解得的結果有所不同。對於靜態的、有物質的愛因斯坦宇宙和無物質的德·席特宇宙，用坐標變換法解的結果都是有限的；而在引進了諧和條件之後，愛因斯坦宇宙仍是有限的，但德·席特宇宙則是無限的。他們還用引力場中的電磁理論來計算宇宙中後移的星系所輻射出的光的強度，以此來定出離我們的銀河系的距離。由此推導出新的紅移關係是與該星系的質量有關。

　　量子場論作為研究微觀物質世界的基本理論，它的研究進展將對物理學所有分支學科的發展起到重要的推動作用。因此，量子場論成為中國理論物理學家的重要研究課題。40年代末，國際上出現了克服量子場論研究中發散困難的重整化方法，張宗燧正致力於理論的數學形式方面的研究。他擴充了外斯（Weiss）理論中的場方程，使之成為決定空間性曲面上的波函數隨曲面的任意變化而變化的方程；並且利用與哈密頓-雅可比方程的比較，證明了這一方程即使在含有高階微商時也是可積的。這就在實際上證明了對易關係的相對論不變性，從而使相互作用表象理論得到更為普遍的基礎。1958年，張宗燧發表了《含有高次微商的量子理論》的論文。他將兩種含有高階微商的量子場論進行了比較，其中一種是將場方程正則化，再進行量子化；另一種是將場方程分為許多滿足二次方程的場的線性組合。研究結果表明，無論就對易關係或就總能量來說，這兩種理論是相同的，這就證明了含有高階微商的量子場論的各種理論形式將遇到同樣的困難。

　　洗鼎昌從70年代開始對經典規範場理論進行了系統研究，引進了曲面上的標架、聯絡與規範勢對應的方法及同步變換的概念，得到了一系列已知的以及未曾得到過的非阿貝爾磁單極解和類粒子解。80年代，他提出並發展了一種在格點規範理論中能有效地逐步提高近似精度的解析方法，指出了規範不變是Wilson圈圖所遵從的動力學方程在解析分析中的重要作用。這種方法的有效性已為國際上許多大型計算機進行的數值計算結果所證實，並至今被廣泛引用和進一步發展。

　　戴元本、吳詠時等研究了電磁形狀因子以及 QCD的紅外行為。何祚麻和黃濤進一步推廣了哈格（Haag）-西島（Nishijima）-欽末曼（Zimmerm-ann）所發展的束縛態場論，建立了一個新的束縛態場論的體系，並系統地研究了這一束縛態場論的微擾展開理論的規範不變問題及紅外和紫外發散的重整問題等。1976～1986年，中國科學院理論物理所郭漢英、陳時等進行了“規範場的主纖維叢表達與Kaluza-klein理論”的研究。他們證明了主叢PD（S2，U1）（D=2eg為整數）在適當度規後成為Hopf叢S3/Z，並以SU規範場為例推廣非阿貝爾規範場的拓撲分類和規範勢；指出第二陣類可用來表徵S4的SU2整體規範場的拓撲分類，並證明適當度規可使主叢P1（S4，SU2）成為Hopf叢S7相應的規範勢；還指出Hopf叢S3/ZD具有保持叢結構的U2≌SU2×U1不變性，其中SU2生成元給出磁單極周圍空間轉動的角動量算子，它自然地包含了磁單極場中帶電粒子角動量算子的附加項。郭漢英等用纖維叢理論處理了破缺規範理論中子群的磁單極問題，導出了存在磁單極時電磁勢的一般表達式。陳時、安瑛討論了五維Kaluza-klein真空的穩定性問題，首次得到了五維K-K真空不穩定的結果。

　　中國原子能科學院馬中騏求得了SU（N）球對稱勢的一般形式，得到了SU（S）大統一理論中的全空間解析的磁單極解，並研究拓撲背景場中費米子的運動，解出費米子在磁單極場中和在雙子場中的散射態和束縛態。

　　1982～1988年，周光召、侯伯宇等進行了“量子場論大範圍性質的研究”。他們深入分析了有效作用“反常”項的形式、性質和拓撲起源，在國際上首先得到規範不變有效作用“反常”項的正確形式，探討了它的存在條件，獨立地發現了2n維空間的非阿貝爾反常、2n+1維上Coch-Simons（C-S）示性類與2n+2維阿貝爾反常之間的深刻聯繫，提供了2n維非阿貝爾反常的整體形式；進而推廣了C-S第二示類的概念和著名的示性類超度公式，首先提出了廣義C-S示性類，得到了超度公式的一般形式；並據此進行了規範群的上同調分析，指出了規範群上同調與Cech-deRham上同調的關係；分析了各級上閉鏈的性質及其物理意義，發現了第三上閉鏈的物理應用，討論了廣義C-S特徵類與指標定理的關係。

　　1986～1990年，中國科學院理論物理所黃朝商、朱重遠等從事“弦理論若干特徵的研究”，證明了對含標量場的玻色弦系統，從可重整化性、重參數化不變性、龐加萊不變性及負模態與物理態退耦的合理要求出發，不需用共形反常消除條件，即可自然地導致劉維型作用量，同時導出有邊界時作用量的一般形式；用引進新的矢量-矢量場的方法構造了幾種在經典意義上與普通弦作用量等價的玻色及超弦協變作用量，為建立協變弦量子化理論提供了新的可能性。他們首先提出研究有扭邊界條件的費米弦即扭超弦模型，發現此時對於某些非阿貝爾群可以有零質量費米子，為現實弦理論提供了一種新的可能性；並用扭仿射代數證明了扭玻色弦的單圖模不變性。Bowick和Rajeev在用幾何方法研究玻色弦理論及其量子化時說明了利用Diffs′/s′流形討論曲率可以得到玻色弦的臨界維數。黃朝商、朱重遠等將其推廣到超對稱及有相互作用時的情形，討論了Super Diffs′/s′及SuperDiffs′/Supers′，得到了超弦的臨界維數；在討論與標量場的作用時，除得到臨界維數外，還首先得到了快子滿足的條件。他們還進一步討論了Grassmannian的曲率，把Diffs′/s′、SuperDiffs′/s′及玻色弦都嵌到Grassmannian中，得到了一系列弦理論的臨界維數條件。