中国当代物理学进展: 相对论、引力理论和量子场论

　　在20世纪50年代，中国的理论物理研究主要集中于对国防建设有直接意义的原子核理论以及基本粒子理论等方面。1978年，中国科学院建立了理论物理研究所，从此开始有计划地开展理论物理各个方面的研究工作。

　　1981～1983年，中国科学院理论物理所郭汉英、陆启铿等对70年代中由H.D.Wahlquist和F.B.Estabrook（W.E）建立的“非线性演化方程的延拓结构”进行考察和研究，抓住W.E方法中所缺乏的协变性问题，运用联络论的非线性实现的理论工具，提出了协变延拓结构理论，从而把W.E的方法协变化。在此基础上讨论了一系列非线性系统如： kdv方程、Mkdv方程、S-G方程、Emst方程等的协变延拓结构，并且得到了Ernst方程的N重多孤子解和带电的Emst方程的N重多孤子解。

　　80年代后期，北京师范大学梁灿彬等在奇异性的边界理论方面做了较全面的研究，发现了这一理论的缺陷。刘辽研究小组在课题“黑洞奇点及宇宙论”的研究中，提出了研究黑洞反作用的新的热力学方法。

　　1979年，周培源从他一直认为在广义相对论引力论中的坐标是有物理意义的思想出发，把严格的谐和条件作为一个物理条件引入引力论中。他与同事一起研究了无限平面、无限长杆、回绕着无限长杆轴做匀速转动的稳态解和严格的平面波解。80年代后期，周培源的学生李永贵进行与地面平行和与地面垂直的两种光速的比较实验。对于静态球对称引力场，根据史瓦西解，与地面成垂直和与地面平行的两种光速的一级近似之差与光速c的比值（△c/c）为 7×10-10；而根据郎曲斯解，在同一级近似下，这一比值为零。李永贵的初步实验结果是，在准确度达到10-9时，这两种光速是相等的，证明了郎曲斯解符合静态球对称引力场的客观实际。这个实验仍在继续，旨在取得更高一级的精确度的实验结果。

　　1987年，周培源和他的博士研究生黄超光合作，把谐和条件引用到宇宙论中。这与用坐标变换法解得的结果有所不同。对于静态的、有物质的爱因斯坦宇宙和无物质的德·席特宇宙，用坐标变换法解的结果都是有限的；而在引进了谐和条件之后，爱因斯坦宇宙仍是有限的，但德·席特宇宙则是无限的。他们还用引力场中的电磁理论来计算宇宙中后移的星系所辐射出的光的强度，以此来定出离我们的银河系的距离。由此推导出新的红移关系是与该星系的质量有关。

　　量子场论作为研究微观物质世界的基本理论，它的研究进展将对物理学所有分支学科的发展起到重要的推动作用。因此，量子场论成为中国理论物理学家的重要研究课题。40年代末，国际上出现了克服量子场论研究中发散困难的重整化方法，张宗燧正致力于理论的数学形式方面的研究。他扩充了外斯（Weiss）理论中的场方程，使之成为决定空间性曲面上的波函数随曲面的任意变化而变化的方程；并且利用与哈密顿-雅可比方程的比较，证明了这一方程即使在含有高阶微商时也是可积的。这就在实际上证明了对易关系的相对论不变性，从而使相互作用表象理论得到更为普遍的基础。1958年，张宗燧发表了《含有高次微商的量子理论》的论文。他将两种含有高阶微商的量子场论进行了比较，其中一种是将场方程正则化，再进行量子化；另一种是将场方程分为许多满足二次方程的场的线性组合。研究结果表明，无论就对易关系或就总能量来说，这两种理论是相同的，这就证明了含有高阶微商的量子场论的各种理论形式将遇到同样的困难。

　　洗鼎昌从70年代开始对经典规范场理论进行了系统研究，引进了曲面上的标架、联络与规范势对应的方法及同步变换的概念，得到了一系列已知的以及未曾得到过的非阿贝尔磁单极解和类粒子解。80年代，他提出并发展了一种在格点规范理论中能有效地逐步提高近似精度的解析方法，指出了规范不变是Wilson圈图所遵从的动力学方程在解析分析中的重要作用。这种方法的有效性已为国际上许多大型计算机进行的数值计算结果所证实，并至今被广泛引用和进一步发展。

　　戴元本、吴咏时等研究了电磁形状因子以及 QCD的红外行为。何祚麻和黄涛进一步推广了哈格（Haag）-西岛（Nishijima）-钦末曼（Zimmerm-ann）所发展的束缚态场论，建立了一个新的束缚态场论的体系，并系统地研究了这一束缚态场论的微扰展开理论的规范不变问题及红外和紫外发散的重整问题等。1976～1986年，中国科学院理论物理所郭汉英、陈时等进行了“规范场的主纤维丛表达与Kaluza-klein理论”的研究。他们证明了主丛PD（S2，U1）（D=2eg为整数）在适当度规后成为Hopf丛S3/Z，并以SU规范场为例推广非阿贝尔规范场的拓扑分类和规范势；指出第二阵类可用来表征S4的SU2整体规范场的拓扑分类，并证明适当度规可使主丛P1（S4，SU2）成为Hopf丛S7相应的规范势；还指出Hopf丛S3/ZD具有保持丛结构的U2≌SU2×U1不变性，其中SU2生成元给出磁单极周围空间转动的角动量算子，它自然地包含了磁单极场中带电粒子角动量算子的附加项。郭汉英等用纤维丛理论处理了破缺规范理论中子群的磁单极问题，导出了存在磁单极时电磁势的一般表达式。陈时、安瑛讨论了五维Kaluza-klein真空的稳定性问题，首次得到了五维K-K真空不稳定的结果。

　　中国原子能科学院马中骐求得了SU（N）球对称势的一般形式，得到了SU（S）大统一理论中的全空间解析的磁单极解，并研究拓扑背景场中费米子的运动，解出费米子在磁单极场中和在双子场中的散射态和束缚态。

　　1982～1988年，周光召、侯伯宇等进行了“量子场论大范围性质的研究”。他们深入分析了有效作用“反常”项的形式、性质和拓扑起源，在国际上首先得到规范不变有效作用“反常”项的正确形式，探讨了它的存在条件，独立地发现了2n维空间的非阿贝尔反常、2n+1维上Coch-Simons（C-S）示性类与2n+2维阿贝尔反常之间的深刻联系，提供了2n维非阿贝尔反常的整体形式；进而推广了C-S第二示类的概念和著名的示性类超度公式，首先提出了广义C-S示性类，得到了超度公式的一般形式；并据此进行了规范群的上同调分析，指出了规范群上同调与Cech-deRham上同调的关系；分析了各级上闭链的性质及其物理意义，发现了第三上闭链的物理应用，讨论了广义C-S特征类与指标定理的关系。

　　1986～1990年，中国科学院理论物理所黄朝商、朱重远等从事“弦理论若干特征的研究”，证明了对含标量场的玻色弦系统，从可重整化性、重参数化不变性、庞加莱不变性及负模态与物理态退耦的合理要求出发，不需用共形反常消除条件，即可自然地导致刘维型作用量，同时导出有边界时作用量的一般形式；用引进新的矢量-矢量场的方法构造了几种在经典意义上与普通弦作用量等价的玻色及超弦协变作用量，为建立协变弦量子化理论提供了新的可能性。他们首先提出研究有扭边界条件的费米弦即扭超弦模型，发现此时对于某些非阿贝尔群可以有零质量费米子，为现实弦理论提供了一种新的可能性；并用扭仿射代数证明了扭玻色弦的单图模不变性。Bowick和Rajeev在用几何方法研究玻色弦理论及其量子化时说明了利用Diffs′/s′流形讨论曲率可以得到玻色弦的临界维数。黄朝商、朱重远等将其推广到超对称及有相互作用时的情形，讨论了Super Diffs′/s′及SuperDiffs′/Supers′，得到了超弦的临界维数；在讨论与标量场的作用时，除得到临界维数外，还首先得到了快子满足的条件。他们还进一步讨论了Grassmannian的曲率，把Diffs′/s′、SuperDiffs′/s′及玻色弦都嵌到Grassmannian中，得到了一系列弦理论的临界维数条件。