（這是我為理論物理前沿重點實驗室方向二寫的一個研究提綱，將在某雜志發(fā)表）

場論作為粒子物理和凝聚態(tài)物理的基本研究工具，已經(jīng)有近80年歷史。場論方法，已經(jīng)滲透到物理的幾乎所有領(lǐng)域：高能粒子物理，核物理，宇宙學，凝聚態(tài)物理，等等。場論發(fā)展到今天，經(jīng)歷了可重正性的要求，重正化群的發(fā)展，以及強弱對偶的深入理解，已經(jīng)是一個非常成熟的工具。

在粒子物理和基本相互作用中，場論不僅僅是工具，也是一種原理性的理論，綜合了量子力學和狹義相對論。實驗上，到今天為止還沒有發(fā)現(xiàn)有場論不能涵蓋 的物理現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)與場論的基礎(chǔ)量子力學和狹義相對論矛盾的任何例子。也許，自然界的確可以用場論來描述一切，也許，有一天我們會被迫超越場論。今天， 如果說還有一個潛在與場論沖突的現(xiàn)象，就是宇宙學常數(shù)或暗能量的存在。至少到目前為止，人們還不能用場論解釋暗能量的大小和性質(zhì)。

弦論也有40年歷史。弦論最初起源于對強相互作用的研究，到了70年代中期，人們發(fā)現(xiàn)弦論自然地包含引力。如果弦論中不存在紫外發(fā)散，是有限的，那 么弦論就是一個自洽的量子引力理論。雖然弦論的有限性還沒有一個嚴格的證明，很多跡象表明弦論的確是有限的。從弦論成為統(tǒng)一量子引力和其他相互作用的候選 者以來，經(jīng)過了幾次發(fā)展階段，第一個階段可以看成是量子引力階段，第二個階段是統(tǒng)一理論階段，而現(xiàn)在已經(jīng)進入了一個新階段：成為粒子物理、宇宙學、數(shù)學和 凝聚態(tài)物理的輔助手段以及重要的思想來源之一。

弦論的第一個階段和第二個階段是混合的。作為統(tǒng)一理論的弦論，必須有解釋粒子標準模型中的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的能力。上世紀末到本世紀初，為了這個目的發(fā)展 出來的弦景觀（string landscape）看上去與這個目標背道而馳。在弦景觀圖像中，存在很多（可能是無限）個時空亞穩(wěn)態(tài)，在給定的亞穩(wěn)態(tài)中，宇宙學常數(shù)、規(guī)范群、規(guī)范耦合 常數(shù)、粒子質(zhì)量都是可變的。人們需要借助人擇原理來挑選某個亞穩(wěn)態(tài)來對應我們觀測到的宇宙，特別是宇宙學常數(shù)。目前，這個圖像存在很多爭議。也許我們需要 找到一些第一原理來選出一個或少數(shù)亞穩(wěn)態(tài)來。

弦論迄今為止仍然沒有對粒子物理的確切預言，但人們期望LHC可能會發(fā)現(xiàn)與弦論相關(guān)的現(xiàn)象。類似地，弦論也沒有宇宙學的確切預言，但人們依然認為宇 宙學是發(fā)現(xiàn)與弦論相關(guān)現(xiàn)象的重要領(lǐng)域。經(jīng)過40年的發(fā)展，弦論發(fā)展了一些物理概念與數(shù)學工具，例如強耦合/弱耦合對偶，引力與量子場論的對偶，D膜動力 學，非微擾超對稱量子場論，等。這些工具幫助我們深入理解了一些量子場論的性質(zhì)，黑洞的統(tǒng)計性質(zhì)，一些微分幾何問題。另外，膜世界等宇宙學和粒子物理模型 也來自于弦論發(fā)展的啟發(fā)。弦論仍然是一個研究的熱門，和以上談及的發(fā)展分不開。

過去十余年，人們發(fā)現(xiàn)無論是弦論還是其他任何邏輯自洽的量子引力理論，必須遵從一個基本原理，該原理大致說，一個包含量子引力的體系等價于一個不包 含引力的體系，后者的空間維度低于前者。這就是全息原理。這里，全息的意思很明顯，因為等價的一方的空間維度較低，很像全息照相。與全息照相不同的是，這 里兩個理論完全等價。一個最基本的例子就是黑洞，黑洞的熵與其視界面積成正比，暗示該黑洞的全部物理可以由視界上的某個體系來描述。

全息原理的一個具體實現(xiàn)是anti-de Sitter空間上的引力體系與一個共形不變的場論對偶，簡稱AdS/CFT。這個對偶由弦論中的膜理論發(fā)展而來。一方面，在膜的附近，時空彎曲，越靠近 膜時空越接近anti-de Sitter空間，另一方面，膜上的理論是共形不變的場論。AdS/CFT對偶還可以推廣為其他時空中的引力體系與非共形不變的場論之間的對偶，例如，從 一個共形場論出發(fā)，我們可以用該理論中的一些算子加到作用量中得到另一個場論，而anti-de Sitter空間同時變形為另一個時空。

近幾年來，AdS/CFT對偶發(fā)展成研究量子色動力學特別是夸克-膠子等離子體性質(zhì)的重要工具，人們已經(jīng)可以半定量地計算夸克-膠子等離子體的一些 物理參數(shù)，如所謂的quench parameter，切粘滯系數(shù)，等。另一方面，我們還可以計算一些色單態(tài)的質(zhì)量。人們希望有一天可以理解夸克禁閉的機制和精確計算單靠量子色動力學無法 計算的物理量。LHC即將運行，其中的探測器ALICE就是專門用來研究夸克-膠子等離子體的，這個方向在未來會有很大的發(fā)展。

同時，這類研究已經(jīng)擴展到高溫超導以及其他一些凝聚態(tài)物理問題。目前已經(jīng)涉及到廣泛的凝聚態(tài)系統(tǒng)，一個最為有名的例子是石墨烯的導電性質(zhì)?；?AdS/CFT對偶推廣的計算與實驗吻合得很好。另外，人們開始嘗試研究高溫超導的一個重要物理參數(shù)，非費米液體的性質(zhì)，量子霍爾效應，等等。如果AdS /CFT最終成功地滲透到凝聚態(tài)領(lǐng)域，那么弦論的發(fā)展也會得到更多的研究者支持。

將弦論“應用”到宇宙學上還有很長的路要走。直接和未來的觀測與實驗有關(guān)的首推暴漲理論。我們還不知道哪一個具體的暴漲模型對應于我們的宇宙，更不 知道該模型在弦論中的實現(xiàn)。Planck衛(wèi)星目前已經(jīng)開始了對CMB譜的探測，兩三年后將有令人興奮的結(jié)果。特別要指出，量子引力的全息原理如何在宇宙學 中實現(xiàn)仍然是一個沒有解決的問題，這個問題不解決，也許我們不會真正理解宇宙的開始（例如暴漲的起源，在暴漲之前發(fā)生了什么，等），甚至不能理解暗能量的 起源和性質(zhì)。一種理論認為，暗能量也是由全息原理控制的，全息暗能量模型不僅和觀測數(shù)據(jù)吻合，最近也得到簡單的Casimir energy計算結(jié)果的支持。由于超穎材料的迅速發(fā)展，超穎材料已經(jīng)開始用來模擬一些引力效應，如黑洞，引力透鏡。我們甚至可以期待超穎材料還能模擬部分 宇宙學效應。所以，我們在未來可能看到弦論、宇宙學和材料領(lǐng)域的交叉發(fā)展。在宇宙學中，宇宙弦（即宇宙尺度上的弦）是可能存在的，宇宙弦的發(fā)現(xiàn)和研究也將 對弦論研究帶來巨大沖擊。

說到超穎材料，還有一個潛在的發(fā)展可能。既然AdS/CFT這樣的全息理論可以應用到量子色動力學和凝聚態(tài)，那么，全息理論能不能應用到光學和電磁 材料領(lǐng)域？我個人覺得是非常可能的。這些聯(lián)系當然會給兩個領(lǐng)域帶來意想不到的進展，例如對宇宙學一些問題（特別是暗能量）和黑洞的進一步理解。

最近，一些空間望遠鏡如Fermi/GLAST的升空運行也為基礎(chǔ)物理問題的研究帶來機會。例如，伽瑪暴發(fā)射的高能光子到達時間可能隨能量而變化， 這是Lorentz對稱性被破壞的結(jié)果。目前還沒有看到任何延遲效應，但我們期待未來更多伽瑪暴的數(shù)據(jù)可能揭示Lorentz對稱破壞，這將為量子引力理 論帶來非常強的限制。另外，利用冷原子干涉實驗可以測量靜態(tài)引力場對轉(zhuǎn)動不變性的破壞，同樣，數(shù)年后這類實驗精度的提高可能導致轉(zhuǎn)動不變性破壞的發(fā)現(xiàn)。

前面我們談到了很多弦論的可能“應用”。最后，我們再強調(diào)一下弦論作為基礎(chǔ)理論本身的研究。弦論中的一個重要部分是超對稱，超對稱可能在LHC上被 發(fā)現(xiàn)。超對稱破壞的機制以及與標準模型對稱性破壞的關(guān)系仍然是弦論最大的理論問題之一，也許我們要等LHC的幫助。目前，超對稱場論以及弦論中的超對稱仍 然是國際同行研究的重要問題。另外，弦論如何解釋黑洞的微觀熵？中性的Schwarzschild黑洞熵的問題還是一個沒有解決的問題。弦論如何解釋真空 的選擇？如何幫助宇宙學家理解宇宙的起源？在宇宙學背景下，真正的可觀測量是什么？所有這些基本問題，在未來的十年甚至更長的時間內(nèi)，不僅是理論難題，也 是理論家應該借助實驗的幫助去找出路的問題。

所以，弦論場論課題組將以研究量子引力的性質(zhì)以及量子引力/弦論在宇宙學和粒子物理和凝聚態(tài)物理中的應用為主要課題。這個課題包括以下一些具體問 題：暗能量的性質(zhì)，暗物質(zhì)的性質(zhì)以及與其他物理現(xiàn)象的關(guān)系；弦論在宇宙學上的一些現(xiàn)象如宇宙弦、Lorentz對稱性的破壞；重要的量子場論和粒子物理問 題如量子色動力中的色禁閉問題以及夸克-膠子等離子體性質(zhì)，規(guī)范理論中散射振幅的計算；凝聚態(tài)問題如高溫超導、量子流體、帶有雜質(zhì)的臨界現(xiàn)象、量子霍爾效 應、非線性流體等。