全像原理场论与重力的世纪婚礼.PDF

物理專文 全像原理 : 全像原理 : 場論與重力的世紀婚禮 場論與重力的世紀婚禮 文/ 林豐利 量子場論與廣義相對論是兩個在本質上非常不同的理論。可是透過黑 洞物理與弦論所啟發的全像原理，卻能使兩者互為一體的兩面，增進了 我們對量子重力的理解。除此，我們也可以利用全像原理來研究強作用 或強關聯系統。本文將綜述全像原理的發展過程與主要概念。 一、 衝突的序曲 回顧量子場論發展的歷史，類似的情況也出現在 量子場論(Quantum Field Theory)與愛因斯坦的廣 古典電動力學中由於點粒子的特性造成電子的自能 義相對論(General Relativity)是二十世紀兩個最重要的 (self energy)無窮大。解決的辦法是引進量子效應並假 物理理論。量子場論將次原子層次的物理放在一個統 設量子漲落(quantum fluctuation)的能量是有限的，即截 一的架構底下，並且提供一套非常精確的計算工具， 斷紫外發散(cutoff UV divergence)，因此使得電子的點 將粒子物理的實驗與理論預測緊密的結合起來。廣義 粒子(point particle)特性模糊化，從而使電子自能變成有 相對論則將時空動態化，使得我們可以預測黑洞的存 限 大 。 量 子 場 論 更 進 一 步 提 供 一 套 重 整 化 在與宇宙的演化。尤其宇宙大爆炸理論(Big Bang (Renormalization)程序來處理紫外發散問題，使得量子 Theory)經由觀測宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave 電動力學(Quantum Electrodynamics) 對精細結構常數 Background Radiation)的證實奠基了現代宇宙學(Modern (fine structure constant)的理論預測與實驗結果達到驚人 Cosmology) ， 從 而 精 確 預 測 了 宇 宙 中 元 素 生 成 的吻合程度。這樣的經驗使得當時大部分的高能理論 (Nucleosynthesis)的多寡。然而新的突破也帶來新的挑 物理學家傾向於引進重力的量子效應來解決時空奇點 戰。尤其在宇宙大爆炸那一刻與黑洞(Black Hole)中心 問題。 存 在 曲 率 (curvature) 無 窮 大 的 時 空 奇 點 (spacetime singularity)，預告廣義相對論在強重力狀況下的局限 然而這樣的想法立刻遇到兩個棘手的難題。第一 性。隨著物理的進展，如何解決以上的問題漸漸成為 個難題是重力場的量子化也意謂著時空的量子化 一種智性上的挑戰。 (quantization of spacetime)，如此一來，由量子力學的線 性疊加原理(linear superposition principle)所得的宇宙波 作者簡介 函數(wave function of the Universe)隱含著多重宇宙 美國猶他大學博士 (multiverse)的可能性，因而觸及到量子力學最根本的難 國立台灣師範大學物理系教