理论物理学及其交叉科学若干前沿问题

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1、理论物理学及其交叉科学若干前沿问题2001 年度项目指南理论物理学是对自然界各个层次物质结构和运动基本规律进行理论探索和研究的学科。它的 一些重大突破常会带来科学新方向、新领域的产生，推动新的学科交叉及新的技术革命，甚至能 导致人类时空观、自然观的革命性变革。经历了以量子力学、相对论为代表的革命性变革和一个 世纪的迅猛发展，二十一世纪的理论物理学正面临着来自学科发展内部矛盾、学科交叉渗透和高 新技术发展需求所提出的尖锐的挑战。物质各层次结构及其运动规律的基础性、多样性和复杂性不仅为理论物理学提供了强大的发 展动力，而且使得它具有显著的多学科交叉性与知识原创性的特点。七十年代以后，在高新技术 发

2、展的推动下，跨学科科学研究领域的大规模出现，使理论物理学不仅获得了促进其发展的又一 动力，而且使它日益成为发展21 世纪高新技术的创新源泉。物理学及其相关交叉科学的基本理论的建立是一个艰苦的、需要长期积累的过程，它需要各 种思维类型的科学工作者，特别是高素质的优秀人才，相互合作、多方探索方可取得突破。而正 确的理论一旦建立，常会出人意料地把许多表面上看起来互不相干的现象联系起来，发挥理论的 指导作用，带动物理学、其它自然科学乃至技术科学的发展。这些充分显示出理论物理研究作为 基础研究的长期性、前瞻性和先导性，同时也清晰地表明同相关学科之间的相互交叉是理论物理 适用范围的自然延伸。本重大研究计划

3、要求所申请的项目应在科学上具有特色及创新思想，欢迎各方面高素质的研 究人员参与，并鼓励进行学科交叉及理论与实验相结合的研究。本重大研究计划的设立，旨在充 分发挥理论物理研究的前瞻性、基础性和原始创新的作用，造就出一批理论研究的杰出人才，增 强我国自然科学研究的原始创新能力，使我国理论物理及其交叉科学在二十一世纪前期步入国际 最先进行列。一. 总体科学目标：1按照二十一世纪理论物理前沿和交叉学科研究发展形势的要求，拓宽、调整我国理论物 理研究方向的配置。除了在我们已有较强力量和积累的传统研究方向上加强力量扩大优势之外， 特别要注重在学科交叉和跨学科研究领域的一些相对薄弱的方面选择重要的研究方向，

4、积极探索 研究，逐步形成优势。2通过对理论和实验的结合点、学科交叉点和对于学科内部矛盾的认真分析，在与国际前 沿紧密沟通的全国性的良好学术环境中取得一批原始创新性的成果。发表一批高质量的学术论文 和专著，力争在一定时期内率先解释或预言（预言后得到实验验证）两至三个有全局意义的重要实 验结果；在某些方向上做出独创而后由外国人跟随的原始创新性工作。3通过在认真选定的研究方向上持续研究的实践，培养、锻炼和发现人才，特别注意不同 思维类型人才的发现和培养，造就一批立足国内、为国际一流同行所承认的优秀理论物理学家和 能在相关交叉学科起关键作用的理论科学家。二. 主要研究方向：I. 量子场论及其相关问题的

5、研究量子论及其相对论性推广-量子场论-是描述物质世界运动的基本理论。随着现代科学技术的发展，高能物理实验对标准模型的精确检验已达TeV能量，天体物理也发现了黑洞存在的证 据，这些成就给量子场论提出了新的挑战和机遇。除了解决夸克禁闭，超对称破缺和引力的量子 化及与其它三种相互作用力的统一之外，量子场论还是新概念和新方法提出和产生的催化剂。对 量子场论的研究，不可能离开理论与实验的相互配合，最近理论上提出存在实验可验证的额外维 空间和与此相关的极低能量标度的超弦理论，引起了实验学家的极大兴趣，已经设计了多个实验 验证这些预言。如果这些预言在今后十年左右能被实验证实的话，量子场论和高能物理的研究将

6、迎来另一个黄金时代，将对其他学科产生重要的影响。我国在量子场论的研究上有一定的基础，曾在量子场论的大范围性质和反常的研究中做出过 国际先进水平的一系列工作，在量子群和可积系统方面投入了较多的人力，取得了一定的优势。 最近，超弦理论的研究队伍在我国的某些单位已经形成。因此，结合量子场论发展的前沿和我国 国情，选择当前在量子场论前沿领域所提出的一些重大理论问题，重点在与超弦理论有关的问题 上集中深入地开展研究，将对量子场论及其相关领域产生重要深远的影响。科学目标立足创新，瞄准前沿，以探索和解决量子场论中的非微扰问题（如夸克囚禁和超对称破缺） 和四种相互作用的统一问题为研究方向，着重发挥量子场论研究

7、中提出的新概念、新方向、新方 法和对其他领域的指导作用。鼓励学科之间的相互促进。突出重点，争取在某些方面有所突破， 达到国际先进水平，推动和促进我国高能物理和凝聚态物理等相关学科的进一步发展。研究内容1Seiberg-Witten 理论中的可积系统问题2量子场论中的对偶性和非微扰问题3. 弯曲空间中超弦理论的量子化、超弦理论的圈图计算和AdS/共形场论对应4非对易量子场论的性质、非交换几何和超弦理论的基本表述 5超对称破缺和量子场论（尤其是对偶性）在高能物理和凝聚态物理等相关学科中的应用II. 粒子物理中标准模型及相关宇宙学问题的理论研究20 世纪后半期人类对物质结构的认识已深入到了夸克-胶子

8、的层次，在总结大量实验的基础 上建立了粒子物理的标准模型理论，其中包含了弱电统一规范理论和量子色动力学。这一理论成 功地经受了大量实验的检验，但又面临着一些十分尖锐的挑战有待进一步的检验和发展：电弱对 称破缺机制是标准模型的基石，而它预言的 Higgs 粒子一直未在实验上发现,即将运行的 Tevatron 和正在建造的LHC等对撞机实验有可能发现Higgs粒子，或有可能揭示超出于标准模型的新物 理；中微子质量是否为零和CP破坏产生的机制以及夸克禁闭机制等这样一些基本理论问题都尚 未得到解决。作为量子色动力学和电弱统一规范理论基础的量子场论面临非微扰求解困难。所有 这些围绕对称性自发破缺机制的本

9、质和夸克囚禁的本质这两大难题为线索的挑战性矛盾正在推 动着粒子物理的发展。中国理论物理学家应抓住时机，密切结合实验进展做出贡献并取得重要成 果。科学目标：紧密结合BEPC/BES和国际上最新的实验结果进一步精确检验和发展粒子物理中标准模型 理论，对标准模型的成功和存在问题有更深刻的理解并揭示超出于标准模型可能的新物理。研究内容：1. 高能对撞机物理及新物理的理论研究。即将运行Tevatron和正在造的LHC以及正在计划 阶段的e+e-直线对撞机是高能物理实验研究最前沿，结合高能对撞机研究top夸克、Higgs粒子 以及超出于标准模型的新物理（例如超对称理论是一种可能的新物理模型）。2. 重味物

10、理和CP破坏机制。紧密结合两个B介子工厂的实验结果从理论上研究B介子衰 变中强子矩阵元计算、CP破坏机制以及稀有衰变。也包括含有b夸克或c夸克的重味相关的理 论研究。3. J/y家族和tcharm物理。紧密结合我国正负电子对撞机的实验结果研究胶球、混杂态、 t 轻子物理、 Charm 介子以及 J/y 家族相关的物理。4. 量子色动力学的微扰和非微扰理论研究QCD微扰计算中的相关问题，如重求和方法在 物理过程的应用；发展QCD非微扰唯象方法以及格点规范理论的计算。5与宇宙学相关的科学问题。宇宙中暗物质的本质是什么？如何探索？中微子实验的进展 表明不同类中微子混合和中微子质量不为零。构造现实模型

11、研究中微子的质量和不同轻子味的动 力学规律。III. 相对论重离子碰撞中的新现象及低能强子物理的理论研究相对论重离子碰撞中的新现象及低能强子物理的理论研究是深层次物质结构和动力学规律 研究的前沿课题之一，对探索夸克-胶子等离子体这一全新的物质状态及量子色动力学的非微扰 性质有重要意义。科学目标高能重离子碰撞的理论研究将密切结合相对论重离子的对撞机RHIC （BNL）的实验结果， 探索高温高密度核物质、夸克-胶子等离子体和自旋物理等，特别是探索夸克-胶子等离子体的存 在证据及其物理性质，揭示由强子物质状态到夸克-胶子等离子体的物质状态的相变规律。低能 强子物理的理论研究旨在通过对各种新强子态性质

12、、强子结构和强子间相互作用的研究，进一步 探索量子色动力学的非微扰效应和夸克禁闭的本质。研究内容1. 紧密结合相对论重离子碰撞的实验结果研究高温高密度核物质和夸克-胶子等离子体的存 在信号及其物理性质。2. 对夸克和胶子的禁闭相和退禁闭相相变规律的研究。3. 应用量子色动力学研究强子结构，如强子质量谱、跃迁、衰变和产生机制等。4. 新强子态（多夸克态、混合态）和核内夸克-胶子组态的研究。W.强关联多电子系统和低维凝聚态物理的理论研究近半个世纪以来，朗道费米液体理论在凝聚态物理研究方面取得了巨大的成功，但目前却面 临着强关联多电子系统的严峻挑战。强关联效应不仅与相互作用有关，而且也与空间维度有关

13、。 空间维度对晶格和载流子的物理性质有重要影响，所以低维凝聚态系统有着丰富的物理内涵。高 温超导体的正常态性质和超导机理、碳硼硅等化合物的金属行为和超导性质、低维多电子系统的 物性、过渡金属化合物中局域自旋与传导电子之间的交换相互作用以及介观（纳米）系统中的关 联效应等都涉及到我们对强关联多电子系统和低维凝聚态系统的认识和了解。所以，对强关联多 电子体系和低维凝聚态物性的理论研究，不仅是现代量子多体理论发展的需要，也为解决包括高 温超导、受限小量子系统在内的新物态、新材料、新器件的发展和设计提供坚实的理论基础。科学目标：考虑到这一方向前沿热点的实验研究难度较高，所以，一方面要推动我国理论研究队

14、伍和国 际一流同行，特别是国际有关重要实验基地的沟通，另一方面，要与国内优秀的实验群体加强合 作，选择有意义的结合点，力争在较短的时间内进入国际前沿行列。同时，也应努力发展强关联 和低维凝聚态系统的数值模拟研究，以求早日形成在国际上有影响的研究基地。研究内容：1. 低维多电子系统物理性质的理论研究。2. 氧化物高温超导体正常态性质和超导机理的研究；3. 碳硼硅系化合物超导机理和有关物性的研究；4. 关联系统各种金属-绝缘体转变的理论研究；5. 局域自旋与传导电子间交换相互作用系统的研究；6. 强关联系统理论模型的计算物理研究。V.受限小量子系统的理论研究随着科学技术的不断发展，实验室中可实现一

15、类丰富多彩的、从微米尺度到纳米尺度的受限 小量子系统，例如：量子阱、量子线或量子点，准二维的超薄固体,C60分子、纳米碳管、光学 微腔或光子晶体以及被囚禁的超冷原子系统等等。在这类小量子系统中，系统的量子相干长度常 可与系统的尺度相比拟，系统的特征时间尺度有可能短于各种元激发的产生和湮灭时间。受限的 微观系统是由量子态波函数的相位因子所主导，而所受到的约束是由宏观系统所形成，系统的热 力学极限很难得到满足。量子力学测量问题：宏观仪器和微观客体间相互作用被迅速地推进到现 代实验室，经受着各种类型实验的精确检验。受限系统中的相位干涉、耗散、关联效应以及物理 过程的演化和控制是这一研究方向的重要问题

16、。对此领域的理论研究是二十一世纪高新技术发展 所急需的理论先导和支撑。科学目标： 以小量子（纳米）系统国际前沿研究领域中的关键理论问题作为研究方向，在保持我们已有 的特色及优势基础上，鼓励创新，鼓励理论与实验结合，加强与国内小量子（纳米）系统重要实 验研究工作的合作，争取在整体上取得国际一流的研究成果，并力争解释一些有重要意义的实验， 提出一些原创性的受限小量子结构和检验基本原理的实验设计。研究内容：1. 受限小量子系统中的相位干涉、耗散、关联效应以及相干物理过程的演化和控制。2. 介观系统输运理论、量子限制效应、超快过程的多体理论。3. 电磁波在各类非常规介质中传播的研究。4. 受限光子系统如光子量子点及光子晶体和微腔量子电动力学（真空或介质极化）效应的 理论研究。5. BEC （玻色-爱因斯坦凝聚）新物态的理论研究。理