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目 前关于基本粒子的最被认可的理论是“标准理论”，它约在30年前确立，现已发现的基本粒子都可以根据这一理论来进行解释。“标准理论”认为，物质由夸克和 轻子组成。夸克构成原子核，原子核周围是属于轻子范畴的电子，两者合起来组成原子，原子又组成分子。这些粒子通过4种不同的力即强力、弱力、电磁力和万有 引力发生作用。
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银河系中最强大、最奇特的磁场会使得脉冲星消亡，同时它们也会撕裂脉冲星的表面破壳而出。

突变就像是生命中的调味料，但是绝大多数的突变体都会在幼年死去。在天体物理中，这一生物学规律依然成立。太空中最奇特的突变造就了一些超高能但却短命的脉冲星，它们被称为磁星。

与脉冲星类似，磁星是诞生于大质量恒星超新星爆发中心的中子星。但在磁星的诞生过程中发生了一些不同寻常的事。一种尚不知晓的机制--也许是坍缩核心的超高速自转--使得每一颗磁星都具有了超强的磁场。这一磁场可以达到普通脉冲星的1000倍，是已知最强的。

当 磁场逐渐减弱时，它会冲破中子星脆弱的壳层，引发强烈的γ射线和X射线暴发。但是这些耀眼的暴发是具有毁灭性的，磁场就像一个制动器会使得磁星在几千年的 时间内停止转动，并且短路它的转动能。与之形成鲜明对比的是，一颗普通的脉冲星其转动能驱动的射电辐射可以持续几百万年。

天体物理学家已 经发现了11颗磁星，但是由于它们短暂的寿命和零星的暴发注定我们无法发现更多的磁星。"在银河系中可能有几十万颗左右没有被发现也无法被发现的磁星， "NASA马歇尔航天中心（MSFC）的X射线天文学家克里萨·科弗里奥托（Chryssa Kouveliotou）说。的确，一些人也认为磁星也许根本就不是突变体，而是超新星的普遍产物。"大部分的中子星十分可能是磁星而不是射电脉冲星，" 德克萨斯州大学的天体物理学家罗伯特·邓肯（Robert Duncan）说。

千亿倍的核磁共振扫描仪

这是一个大胆的观 点，但是邓肯和加拿大理论天体物理研究所的克里斯托弗·汤普森（Christopher Thompson）曾经就改变过怀疑者的观点。1987年他们首次计算了新诞生中子星的磁场强度，当时邓肯是普林斯顿大学的博士后，而汤普森是一个研究 生。但是他们求解出的磁场强度竟高达惊人的1015高斯，以至于他们也为此困惑了好几年。

作为比较，地球的磁场大约是0.6高斯。医学核 磁共振扫描仪的磁场为10000高斯。由磁场对自转的制动效应推测射电脉冲星的磁场为1012高斯。尽管磁场非常强，但射电脉冲星的主要能源来自它的自转 而不是磁场。磁场的作用就像是传送带，用来传送由转动能产生的辐射。没有人预料到磁场会升高到这么高的强度。

但是汤普森和邓肯认为超强的 磁场可以解释一些神秘的现象。特别地，天体物理学家曾经被软γ射线再现源（SGR）所困扰。这些尚未明确的天体会产生不定期的软γ射线暴发，然后又恢复平 静。1979年，邻近星系中的一个软γ射线再现源产生了一次巨大的暴发，其在0.2秒之内所释放的能量相当于太阳在10000年内所释放能量的总和。这个 源很靠近一个新近的超新星遗迹。但是这个暴发每8秒钟就会出现一次起伏，并且逐渐减弱，这与脉冲星相比要缓慢得多。

理论家推测这些暴发来 自一颗慢速自转的中子星，但它在诞生时却有着高得惊人的自转速度。亚利桑那大学的天体物理学家亚当·布罗斯（Adam Burrows）和纽约州立大学的詹姆斯·莱提莫（James Lattimer）证明在中子星诞生的最初10秒钟内它的高温核流体每秒钟会对流100次。如果那时中子星的自转为每秒100-1000圈，那么汤普森和 邓肯的计算表明，这会引发剧烈的发电机效应--一种自我维持的强磁场产生机制，产生1015高斯或者更强的磁场。

一旦磁场充满了中子星高 密度的超流体，它就很难向外扩散。但是，磁场和由其产生的电流总是会尽量达到能量较低的状态。"磁场在致密星内部会高度扭曲，"汤普森解释说，"最终抵抗 扭曲而伸展的磁场可以驱动软γ射线再现源暴发。"这每一次的磁场转变都会在中子星固态壳层中产生裂缝。在壳层破裂的临界点，产生的裂缝可以达到1千米。一 旦表面出现裂缝，其上方的磁场就会进入一个全新的位置。这些剧烈的活动会沿着磁力线加速粒子产生γ射线和X射线。

1992年邓肯和汤普森发表了他们的理论，并且用"磁星"这个更为形象的词取代了最初的"暴发星"这个名称。3年后，他们发现暴发能量会以持续几分钟的火球的形式出现，日后也确实观测到了这一暴发形态。

然而，他们的理论对大多数人而言太虚幻了。即使到了1998年1月，邓肯还是被安排在最后一个在美国天文学会上发言--当时在他前面发言的是一个提出改良相对论的人。

这 一年的晚些时候，观测赢得了胜利。首先，由科弗里奥托领导的小组使用NASA罗希X射线时变探测器（RXTE）观测到了一个软γ射线再现源7.47秒的周 期暴发。周期性的起伏仅仅出现在明亮的暴发阶段，而在其他时间它并不发出类似脉冲星的辐射。这个天体的转动周期以每世纪0.26秒的速度减小--这一效应 只能源于1015高斯强磁场的制动作用。

之后在1998年8月27日，一波比1979年太阳耀斑更强的γ射线和X射线横扫太阳系。它的源 头是一个银河系内的软γ射线再现源。尽管距离遥远，但是高能辐射足以电离地球的上层大气影响无线电传送。暴发周期为5.16秒。科弗里奥托小组使用 RXTE的研究显示，这个软γ射线再现源的自转存在着类似磁星的减速现象。

随着这些发现，磁星进入了科学主流的行列。2003年邓肯、汤 普森和科弗里奥托被授予了美国天文学会高能天体物理部最高奖布鲁诺·罗希（Bruno Rossi）奖。这与早年的境遇大相径庭，邓肯说："确实存在着反对意见，大部分人也认为它疯狂。但我把它视为科学发展的正常一部分。"

暂现源与核弹

近 几年来，天文学家拓宽了磁星的范围。现在大多数天文学家认为发出X射线脉冲而不是射电脉冲辐射的反常X射线脉冲星（AXP）也是磁星的一员。麦克吉尔大学 的天文学家维多利亚·卡斯皮（Victoria Kaspi）及其同事发现尽管没有软γ射线再现源剧烈，但是反常X射线脉冲星也能产生猛烈的暴发。

有 意思的是，11个已知的软γ射线再现源和反常X射线脉冲星的自转周期都在5-12秒之间。磁场会严重的阻制磁星的自转，使其在几个世纪内从毫秒降到秒的量 级--如此短的间隔使得天文学家只有靠运气才能看到高速自转的磁星。"如果它们活动的时间超过几千年的话，我们就能发现自转周期几十秒的磁星，但是这做不 到，"马歇尔航天中心的天文学家彼得·伍兹（Peter Woods）说，"因此看起来它在X射线波段明亮的时间并不长。"

两份公布在 《天体物理学报》上的研究显示磁星可能比预计的还要普遍。在一份报告中，由伍兹领导的一个天文学家小组在2002年6月发现了强度出现4小时波动随即又消 失的一颗反常X射线脉冲星。伍兹说，由于监测天空的望远镜的灵敏度还不够高，因此银河系中类似的暴发还无法被观测到。在另一项研究中，由戈达德航天中心的 阿拉·亚伯拉罕（Alaa Ibrahim）领导的天文学家小组发现了一颗"暂现"磁星。它在90年代由于暗弱而未引起注意，但在2003年早期却增亮了100倍。

在 宁静状态，这些磁星会被当成超新星遗迹中的暗弱X射线源，被称为中央致密天体。而且它们和一类被称为"暗弱孤立中子星"的神秘天体很类似。参与这两项研究 的卡斯皮说，磁星家族应该包括这些分支。"暗弱孤立中子星可能是尚有余热的死亡磁星，"她说，"我认为中子星有一半生来就是磁星。"但是这一想法在被别人 接受之前还需要更多的统计观测以及对磁场强度的测定。

在理论上，一些小组正在试图将磁星和宇宙中最剧烈的暴发γ射线暴联系起来。现在许多 天体物理学家认为最有可能触发长时间γ射线暴的是形成黑洞的超新星爆发。但是麦克吉尔大学的天体物理学家马克西姆·柳提科夫（Maxim Lyutikov）说，来自磁星的磁场星风是更合理的驱动力。"磁能的耗散是非常高效的，"他说。与之形成对比的是，黑洞附近暴发的物质会在强烈的激波中 损失太多的能量。

在有关的研究中，由加州大学伯克利分校哈勃博士后特德·汤普森（Todd Thompson）提出的模型认为，新诞生的磁星能以接近光速的速度沿着磁场抛射物质。这会带走巨大的动能，如果一开始磁星每秒中转1000圈，那么在 10秒钟之后就会降到每秒300圈。自转减速会释放出磁星90%的能量。汤普森认为这些能量可以推动超高能的超新星暴发，或者在合适的条件下触发γ射线 暴。

汤普森补充说，自然界最重的元素也可以形成于这个湍流之中。目前天体物理学家还没有找到发生大量中子高速轰击形成重原子核的"r-过程"的地点。超强的磁场也许在磁星附近维系住了高温的中子和质子使得它们合成铀以及周期表中更重的元素。

支持磁星所有理论的邓肯很喜欢这个想法。"有可能在磁星风中合成了所有比铋更重的元素，"他说，"如果这是真的，核弹和反应堆都是建筑在磁星之上的。"超新星为我们提供了血液中的铁，公平地讲磁星也参与到了其中。
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王洪光 徐仁新
（北京大学物理学院天文学系）
在茫茫宇宙中, 什么天体的质量堪比太阳而大小还比不上北京城区？什么天体的旋转速度可以赛过陀螺？什么天体有胜过地球百万亿倍的超强磁场？它就是脉冲星, 一个有着与太阳相当的质量而半径却只有十公里左右的致密天体。
脉 冲星, 顾名思义, 就是能够发射脉冲的星体；其英文名pulsar是根据“脉冲射电源”(pulsed radio source)杜撰的。脉冲星标志性的观测特点当然就是其节奏单一的脉冲信号; 消除各种其它影响后, 脉冲到达地球的时间非常准, 精确度甚至超过地球上最好的原子钟。从1967年以来天文学家已经找到了1400多颗脉冲星。多数脉冲星的自转周期为1秒左右, 最快的一颗每秒钟竟要转640多圈!
脉冲星是上世纪60年代天文学四大发现之一。它具备了极高的密度、强引力场和电磁场等极端条件, 是一种得天独厚的宇宙物理实验室, 因此长期以来脉冲星一直深受物理学家和天体物理学家的青睐。在众多的脉冲星课题中, 最引人入胜的要数对脉冲星本质的研究。脉冲星到底是什么? 起初人们深信它就是物理学家朗道早在1932年就预言的中子星, 但后来却杀出个“程咬金”—— 随着研究的深入, 人们发现脉冲星也可能是由所谓的“奇异夸克物质”组成的奇异星。从中子星理论最初的受冷落, 到脉冲星的发现和被证认为中子星, 再到脉冲星是中子星还是奇异星之争的扑朔迷离, 整个研究历程可谓一波三折, 充满了戏剧性。
故事要从1932年英国物理学家查德威克发现中子开始。这一重大发现立刻引起了学术界的关注。一方面人们认识到原子核是由质子和中子构成的; 另一方面一些物理学家和天文学家开始思考主要由中子构成天体的可能性。
白 矮星是当时人们知道的密度最高的天体(由亚当斯于1915年发现), 它是小质量恒星在核燃料消耗完以后塌缩形成的产物；虽然密度很大, 组成星体的物质 (如碳、氮等) 还是保持着“原子核+电子”的结构。30年初钱德拉赛卡正致力于用核外电子的简并压力与引力平衡的思想建立白矮星模型。他发现白矮星的质量若大于约1.4 倍太阳质量, 电子简并压将不足以抵抗引力, 星体必将继续塌缩。但下一步的产物是什么? 会无限塌缩成黑洞吗? 这在当时引起了热烈的讨论。1929—1932年间, 苏联著名物理学家朗道刚刚20出头, 正在列宁格勒物理技术研究所做研究生。他也一直对物质处于高温高密状态下的物理过程感兴趣, 并独立得出了白矮星的质量上限。在查德威克发现中子后不久, 朗道就推测：在大质量恒星的中心, 即便质量超过白矮星质量上限, 核心也不会无限的塌缩, 电子将被“压”进原子核, 与质子结合成中子；中子的简并压力足以抵抗引力而形成主要由中子构成的“中子星”。
1934 年, 美国天文学家巴德和瑞士天文学家兹威基联名发表了一篇颇有远见的论文, 明确提出了超新星的概念, 并宣称中子星可能是超新星爆发过程中的产物。不过这个论点在当时还没有观测证据支持, 显得“超前”而不为大多数天体物理学家接受。兹威基个性奔放, 思维活跃, 经常拿一些凭直觉得到而未加仔细思考的想法去烦他的同事。也许正因如此, 他和同在加州理工学院的奥本海默关系很不好, 以至于奥本海默故意不引用他的论文, 而只引用朗道的工作。1939年, 奥本海默和他的学生沃尔科夫改进了朗道的计算, 证明稳定的中子星也有一个质量上限：当质量超过大约3倍太阳质量时, 天体将一直收缩下去, 形成黑洞。
尽管参与建立中子星理论构架的都是著名的 物理学家和天文学家, 中子星这个概念却长期受到冷落。原因何在? 大家知道, 星体的热辐射光度和它的表面积成正比; 而根据奥本海默等人的计算, 中子星的半径只有大约十公里, 如果中子星的热辐射主要位于光学波段, 那么由于其半径太小, 当时世界上最大的光学望远镜也很难发现。所以中子星长期停留在理论假说的状态。二战以后, 雷达技术广泛应用于天文学, 射电天文蓬勃发展, 使探测中子星的无线电波辐射成为可能。不过, 发现脉冲星却纯属偶然。1967年8月, 幸运之神降临到了剑桥的射电天文学家休伊什和他的女研究生贝尔头上。在试图用一套新射电望远镜系统搜寻类星体时, 贝尔意外地发现了一颗“异常的闪烁源”。四个月后他们分辨出这些变化的信号是一些列强度不等的脉冲, 其间隔周期为1.33秒。脉冲的到达惊人地守时, 竟然精确到千万分之一秒。最初他们还以为这些脉冲是地外智慧生命发出的信号, 甚至起了个名字叫“小绿人”；但是信号如此单调且功率强大, 这种可能很快就被排除了。
在1968年2月24日出版的《自然》杂志上, 休伊什、贝尔及合作者们公布了第一颗脉冲星的观测结果, 并认为这些脉冲可能起源于白矮星或中子星周期性的振荡。同年, 美国科学家戈德则提出另一种解释，认为射电脉冲是中子星的快速自转造成的，脉冲星的辐射束就像灯塔信号一样扫过地球, 在望远镜里引起一个个间隔相等的脉冲(见图2)。随着短周期脉冲星的发现, 尤其是1968年底, 美国射电天文学家在蟹状星云（它是1054年我国古代天文学家发现的一颗超新星爆发后的遗迹）的中心发现了一颗自转很快的脉冲星（其自转周期只有33毫 秒），这才排除了中子星自转以外的其他各种可能性；从而使当时的人们相信, 脉冲星就是30多年前朗道所预言的、正在旋转着的中子星。
然而, 脉冲星果真就是中子星吗？在上个世纪六、七十年代, 人们认识到中子并非基本粒子，而是由更为基本的夸克组成的；因此有少数天体物理学家开始考虑由自由夸克物质组成星体（称为夸克星）的可能性。而这种天体和 中子星的质量、半径、转动和辐射性质有许多相似之处, 所以脉冲星是否是夸克星值得研究。不过, 就如同中子星的概念对于上个世纪三十年代的人那样, 夸克星对当时大多数天体物理学家来说也是非常陌生的。
“夸克”一词取自一本怪诞的诗集中的诗句, 是海鸟神秘的叫声；美国物理学家盖尔曼幽默地取了这样一个名字, 就是为了表示这些粒子的神秘莫测。继中子发现之后，物理学家们又陆续发现了许多新粒子、新现象；原来普遍认为的“质子和中子是不可分的基本粒子”观念受到 了挑战。在对大量实验分析和理论研究的基础上, 1964年盖尔曼和兹韦格各自独立地提出：包括中子、质子在内的强子是由更深层次的粒子（即夸克）组成的。最初提出的是三种夸克: 上夸克、下夸克和奇异夸克。上夸克带有+2/3电荷, 而下夸克和奇异夸克则带有-1/3的电荷。后来随着一些新粒子（如丁肇中等发现的J/粒子，等）的发现, 人们相信还存在另外3种夸克(粲夸克、底夸克和顶夸克)。因此自然界可能存在六种夸克。
从1969年开始就有人将有关夸克的研究应用到天体物理 中, 其中值得一提的是日本物理学家伊藤直树。1970年, 他讨论了完全由上夸克、下夸克和奇异夸克组成的天体，并考虑这种天体的引力平衡。伊藤将他的研究结果发表在一家日本出版的英文杂志上, 但没有引起太多的注意。
研究者们面临着一个不可回避的问题：夸克星真的能存在吗？在1984年，美国著名数学家和物理学家威滕提出了这样一个猜 想：完全由上夸克、下夸克和奇异夸克组成的物质（称为奇异物质）要比一般物质稳定。他进一步认为宇宙中有三种方式可能出现奇异物质：宇宙大爆炸极早期的夸 克时代, 由奇异物质组成的天体（称为奇异星）以及极高能宇宙线。威滕的这一猜想一定程度上得到了其它研究者的认同；如果它是正确的，奇异星的能量应显著低于中子 星；或者说，奇异星比中子星更稳定。有人甚至大胆地提出, 很可能所有已知的脉冲星其实都是奇异星，自然界根本就没有中子星。不过，最近确实有若干先进的空间观测显露出奇异星存在的迹象。
至今，小小的脉冲 星已经让天文学家两次获诺贝尔物理学奖(1974年授予发现脉冲星者之一休伊什；1993年授予美国天文学家泰勒和他的学生赫尔斯, 以表彰他们发现了脉冲双星系统, 检验了强引力场中的广义相对论)。然而关于脉冲星的研究还远远没有结束。脉冲星到底是中子星还是奇异星？这对于天文学家和物理学家既是挑战, 也是机遇。当然这一问题的回答要依赖于新的高性能的空间望远镜的观测；也许在不远的将来人们就会得到答案，让我们拭目以待。
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1984 —1985年，弦理论发生第一次革命，其核心是发现“反常自由”的统一理论；19941995年，弦理论又发生既外向又内在的第二次革命，弦理论演变成M 理论。第二次弦革命的主将威滕(EdwardWitten)被美国《生活》周刊评为二次大战后第六位最有影响的人物。

　　M理论的“M”指什么

　　威滕说：“M在这里可以代表魔术(magic)、神秘(mystery)或膜(membrane)，依你所好而定。”施瓦茨则提醒大家注意，M还代表矩阵(matrix)。

　 　在围棋游戏中，只有围与不围这样很少的几条规则，加上黑白两色棋子，却可以弈出千变万化的对局。与此相似，现代科学认为，自然界由很少的几条规则支配， 而存在着无限多种这些支配规律容许的状态和结构。任何尚未发现的力，必将是极微弱的，或其效应将受到强烈的限制。这些效应，要么被限制在极短的距离内，要 么只对极其特殊的客体起作用。

　　科学家非常自信地认为，他们发现了所有的力，并没有什么遗漏。但是，在描述这些力的规律时，他们却缺乏 同样的自信。20世纪科学的两大支柱——量子力学和广义相对论——居然是不相容的。广义相对论在微观尺度上违背了量子力学的规则；而黑洞则在另一极端尺度 上向量子力学自身的基础挑战。面对这一困境，与其说物理学不再辉煌，还不如说这预示着一场新的革命。

　　萨拉姆(A.Salam)和温伯 格(S.Weinberg)的弱电统一理论，把分别描述电磁力和弱力的两条规律，简化为一条规律。而M理论的最终目标，是要用一条规律来描述已知的所有力 (电磁力、弱力、强力、引力)。当前，有利于M理论的证据与日俱增，已取得令人振奋的进展。M理论成功的标志，在于让量子力学与广义相对论在新的理论框架 中相容起来。

　　同弦论一样，M理论的关键概念是超对称性。所谓超对称性，是指玻色子和费米子之间的对称性。玻色子是以印度加尔各答大学 物理学家玻色(S.N.Bose)的名字命名的；费米子是以建议实施曼哈顿工程的物理学家费米(E.Fermi)的名字命名的。玻色子具有整数自旋，而费 米子具有半整数自旋。相对论性量子理论预言，粒子自旋与其统计性质之间存在某种联系，这一预言已在自然界中得到令人惊叹的证实。

　　在超 对称物理中，所有粒子都有自己的超对称伙伴。它们有与原来粒子完全相同的量子数(色、电荷、重子数、轻子数等)。玻色子的超伙伴必定是费米子；费米子的超 伙伴必定是玻色子。尽管尚未找到超对称伙伴存在的确切证据，但理论家仍坚信它的存在。他们认为，由于超对称是自发破缺的，超伙伴粒子的质量必定比原来粒子 的大很多，所以才无法在现有的加速器中探测到它的存在。

　　局部超对称性，还提供将引力也纳入物理统一理论的新途径。爱因斯坦广义相对 论，是根据广义时空坐标变换下的某些要求导出来的。在超对称时空坐标变换下，局部超对称性则预言存在“超引力”。在超引力理论中，引力相互作用由一种自旋 为2的玻色子(引力子)来传递；而引力子的超伙伴，是自旋为3/2的费米子(引力微子)，它传递一种短程的相互作用。

　　历史的玩笑：回到11维

　 　广义相对论没有对时空维数规定上限，在任何维黎曼流形上都能建立引力理论。超引力理论却对时空维数规定了一个上限——11维。更吸引人的是，已经证明， 11维不仅是超引力容许的最大维数，也是纳入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小维数。描述强力的标准模型，即量子色动力学，是基于定域对称群 SU(3)的规范理论，它的量子叫做胶子，作用于一个叫“色”的内禀量子数上。描述弱力和电磁力的温伯格-萨拉姆模型，是基于SU(2)×U(1)的规范 理论。这个规范群作用在“味道”上，而不是在“颜色”上，它不是精确的，而是自发破缺的。由于这些理由，许多物理学家开始探讨11维的超引力理论，期望这 就是他们寻求的统一理论。

　　然而，在手征性面前，引力理论的一根支柱突然倒塌了。手征性2是自然界的一个重要特征，许多自然对象都有类似于人的左手与右手那样的对称性。像中微子的自旋，就始终是左手的。

　 　20世纪20年代，波兰人卡卢扎(T.Kaluza)和瑞典人克莱因(O.Klein)，发现从高维空间约化到可观测的4维时空的机制。若11维超引力 中的7维空间是紧致的，且其尺度为10-33厘米(缘此其不被觉察)，就会导出粒子物理标准模型所需的SU(3)×SU(2)×U(1)对称群。但是，在 时空从11维紧致化到4维时，却无法导出手征性来。到了1984年，超引力丧失领头理论地位，超弦理论取而代之。当时，“让11维见鬼去吧！”——“夸克 之父”盖尔曼(M.Gell-Mann)的这句名言，表达了不少物理学家对11维的失望情绪。

　　从1984年起，人们认定10维时空是 最佳选择，10维时空的弦论替代了11维时空的超引力理论。曾流行过五种弦论，其不同在于未破缺的超对称性荷的数目，以及所带有的规范群。在10维时空 中，最小的旋量具有16个实分量，有三种弦论的守恒超荷恰巧对应于这种情况，它们是类型Ⅰ、杂优弦HE和HO。其余两种弦论含有2个旋量超荷，称为类型Ⅱ 弦。其中，类型ⅡA的旋量具有相对的手征性，类型ⅡB的旋量具有相同的手征性。HE和HO二种杂优弦，分别带有E8×E8规范群和SO(32)规范群。类 型Ⅰ弦也具有SO(32)规范群，它是开弦，而其余的4种弦是闭弦。重要的是，它们都是反常自由的，即弦论提供了一种与量子力学相容的引力理论。在这些理 论中，HE弦至少在原则上能解释所有已知粒子和力的性质，当然也包括手征性在内。

　　然而，弦论绝非美仑美奂，至少可从四方面对它诘难。 首先，人们本将弦论当作物理统一理论来追寻，它的五种不同理论却又给出了五种不同的宇宙，若人类生活在其中的一种宇宙之中，那么其余四种理论描述的宇宙， 又是何等样的生物居住其中呢？其次，若将粒子看作弦，那为什么不将它们看作膜，抑或看作p维客体——胚(brane)呢？再者，关于弦论的实验验证，传统 的粒子加速器方法，显然受到技术和经费两方面限制，然而新的方法又在何处？最后，超对称性容许时空的最大维数是11维，为什么弦论只到10维就戛然而止了 呢？余下的那一维是逃逸了，还是隐藏起来了呢？

　　历史真会开玩笑，在人们让11维“见鬼”十年之后，1994年开始了弦论的第二次革命。此后，五种不同的弦论在本质上被证明是等价的，它们可以从11维时空的M理论导出。经历了十年艰苦卓绝的辛劳，人们居然又回到了原来的时空维数，否定之否定实在是条奥妙的哲理。

　　对偶性与M理论

　 　M理论的11维真空，能用一个称作11维时空普朗克质量mP的单一标度表征。若将11维时空中的一个空间维度，取成半径为R的圆周，就可以将它与类型Ⅱ A的弦论联系起来。类型ⅡA弦论有一个无量纲的弦耦合常数gs，它由膨胀子场Φ(一种属于类型ⅡA超引力多重态的无质量标量场)的值决定。类型ⅡA的质量 标度ms的平方，给出基本ⅡA弦的张力，11维与10维的ⅡA的参数之间的关系为(略去数值因子2π)ms2=RmP3，gs=Rms。

　 　ⅡA理论中经常使用的微扰分析，是将ms固定而对gs展开。从第二个关系式可见，这是关于R=0的展开，这也就是为什么在弦微扰论中没有发现11维解释 的原因。半径R是一个模(modulas)，它由带有平坦势的无质量标量场的值确定。若这个模取值为零，对应于ⅡA理论；若取值无穷大，则对应于11维理 论。

　　杂优弦HE与11维理论也有相似的联系，差别在于紧致的空间不再是圆周，而是一条线段。这个紧致化会产生两个平行的10维切面，而每一面又对应于一个E8规范群。引力场存在于块中。从11维时空更能说明，为什么采用E8×E8规范群才会是量子力学“反常自由”的。

　 　早在本世纪初，德国女学者诺特(A.Noether)证明了一条著名定律：对称性对应于某一种物理守恒定律。电荷、色荷，以及别的守恒荷，都能看成是诺 特荷。某些粒子的特性在场变形下保持不变，这样的守恒律称为拓扑的，其守恒荷为拓扑荷。按照传统观点，轻子与夸克被认作是基本粒子，而单极子等携带拓扑荷 的孤子是派生的。是否能颠倒过来猜想呢？即猜想单极子带诺特荷，而电子带拓扑荷呢？这一猜想被称作蒙托南-奥利夫(Montonen-Olive)猜想， 它给物理计算带来了意料不到的惊喜。带有e荷的基本粒子等价于1/e的拓扑孤子，而粒子的荷对应于它的相互作用耦合强度。夸克的耦合强度较强，因而不能用 微扰论计算，但可用耦合强度较弱的对偶理论计算。

　　这方面的一个突破性进展，是由印度物理学家森(AshokeSen)取得的。他证 明，在超对称理论中，必然存在既带电荷又带磁荷的孤子。当这一猜测推广到弦论后，它被称作S对偶性。S对偶性是强耦合与弱耦合之间的对偶性，由于耦合强度 对应于膨胀子场Φ的值。杂优弦HO与类型I弦可通过各自的膨胀子场联系起来，即Φ(I)＋Φ(HO)=0。

　　弱HO耦合对应Φ(HO)=-∞，而强HO耦合对应Φ(HO)=＋∞。可见，杂优弦是I型弦的非微扰激发态。这样，S对偶性便解释了一个长期令人疑惑的问题：HO弦与I型弦,有着相同的超对称荷和规范群SO(32)，却有着非常不同的性质。

　　在弦论中，还存在着一种在大小紧致体积之间的对偶性，称作T对偶性。举例来说，ⅡA理论在某一半径为RA的圆周上紧致化和ⅡB理论在另一半径为RB的圆周上紧致化，两者是等价的，且有关系RB=(ms2RA)-1。

　　于是，当模RA从无穷大变到零时，RB从零变到无穷大，这给出了ⅡA和ⅡB之间的联系。两种杂优弦间的联系，虽有技术细节的不同，本质却是一样的。

　　弦论还有一个定向反转的对称性，如将定向弦进行投影，将会得到两种不同的结果：扭曲的非定向开弦和不扭曲的非定向闭弦。这就是ⅡB型弦和I型弦之间的联系。在M理论的语言中，这一结果被说成:开弦是狄利克雷胚的衍生物。

　　p胚的分类与对偶

　 　众所周知，有质量的矢量粒子有3个极化态，而无质量的光子只有2个极化态。无质量态可以看作是有质量态的临界状态。在4维时空的庞加莱对称性中，用小群 表示描述光子态。小群表示又称短表示，这一代数结构可以推广到11维超对称理论。临界质量也会在M理论中重现。由诺特定理，能量和动量守恒是时空平移对称 性的推论。超对称荷的反对易子是能量和动量的线性组合，这是超引力的代数基础。然而，两个不同超对称荷的反对易子，却可生成新的荷。这个荷称作中心荷Q。 对于带有中心荷的超代数也有一个短表示，它将与M理论的非微扰结构密切相关。

　　对于带有中心荷的粒子态，代数结构蕴涵着物理关系 m≥|Q|，即质量将大于中心荷的绝对值。若粒子态是短表示的话，该关系取临界情形m=|Q|,通常称为BPS态。这一性质的最初形式是前苏联学者博戈莫 尔内(E.B.Bogomol'nyi)、美国学者普拉萨德(M.K.Prasad)和萨默菲尔德(C.M.Sommerfield)在研究规范场中单极 子时发现的。

　　如果将BPS态概念应用到p胚，这时中心荷用一个p秩张量来描述，BPS条件化作p胚的单位体积质量等于荷密度。处于 BPS态的p胚将是一个保留某种超对称性的低能有效理论的解。Ⅱ型弦与11维超引力都含有两类BPS态p胚，一类称为电的，另一类称为磁的，它们都保留了 一半的超对称性。

　　在10维弦论中，据弦张力Tp与弦耦合常数gs的依赖关系，p胚可分成三类。当Tp独立于gs，且与弦质量参数的关 系为Tp∽(ms)p＋1，则称胚为基本p胚；这种情形仅发生在p=1时，故又称它为基本弦；这又是在弱耦合下仅有的解，故它又是仅可使用微扰的弦。当弦 张力Tp∽(ms)p＋1/gs2，则称胚为孤子p胚；事实上这仅发生在p=5时，它是基本弦的磁对偶，记作NS5胚。当Tp∽(ms)p＋1/gs，则 称胚为狄利克雷p胚，记作Dp胚，其性质介于基本弦和孤子之间。通过磁对偶性，Dp胚将与Dp′胚联系起来，其中p＋p′=6。

　　在 11维时空中，存在两类p胚：一类是曾被命名为超膜的M2胚，另一类称为M5胚的5胚，它们互为电磁对偶。11维理论仅有一个特征参数mP，它与弦张力 Tp的关系为Tp∽(mP)p＋1。将11维理论通过其中1维空间作圆周紧致化,能导出ⅡA型理论。那么，p胚在这个紧致化过程中将做出什么变化呢？p胚 的空间维数可以占据或不占据紧致维。倘若占据，M2胚将卷曲成基本弦，M5胚卷曲成D4胚；倘若不占据，M2胚化作D4胚，M5化作NS5胚。

　　将掀起一场宇宙学风暴吗

　 　当年，许多物理学家之所以舍弃11维超引力，无情地让它“见鬼”去，乃因威滕等人认为，在将11维紧致化到4维时，无法导出手征性。十年后，威滕又否定 了自己，这一否定正是威滕雄浑浩博哲学气息的表露。事实上，独立于人类而存在的外部世界，就像一个巨大而永恒的谜，对这个世界作凝视沉思，就像寻求解放一 样，吸引着每一个具有哲学气息的物理学家。

　　威滕和荷拉伐(PeterHorava)发现，从11维的M理论可以找到手征性的起源。他 们将M理论中的一个空间维数收缩成一条线段，得到两个用该线段联系起来的10维时空。粒子和弦仅存在于线段两端的两个平行的时空中，它们通过引力彼此联 系。物理学家猜测，宇宙中所有的可见物质位于其中的一个，而困扰着物理学家的暗物质则在另一个平行的时空中，物质与暗物质之间仅通过引力相联系。这样，便 可巧妙地解释宇宙中为什么存在看不到的质量。

　　这一图象具有极其重要的物理意义，可用来检验M理论。70年代，物理学家已认识到，所有 相互作用的耦合强度随能量变化，即耦合常数不再是常数，而是能量的函数，并给它取了个形象的名称——跑步耦合常数。90年代，物理学家又发现，在超对称大 统一理论中，电磁力、弱力与强力的耦合强度，会聚在能量标度E约为1016吉电子伏的那一点上。物理学家们为这一成功喝彩不已，一些带有浪漫情结的评论家 甚至认为，超对称已取得最终的胜利，不必再等待2005年在LHC对撞机上的检验实验。

　　然而，这里只统一了宇宙四大基本相互作用中的 三个，还有一个引力。对这个人类最先认识的引力，又将如何处置呢？给人启迪的是，上述三力统一的耦合强度与无量纲量GE2(G为牛顿引力常数)相近，而不 相等。在威滕-荷拉伐方案中，可选择线段的尺寸，使已知的四种力一起会聚在同一能量标度E上。这就是说，引力的量子效应，将在比普朗克能量标度低得多的标 度(E≈1016吉电子伏)上起作用，这无疑将对宇宙学产生全面的影响。如果宇宙学家们抬头看看自己的窗外，也许会警觉到暴风雨正在酝酿，但是绝大多数人 仍继续沉溺在庆祝标准宇宙模型的杯光酒影之中。

　　黑胚：M理论的卓越成就

　　当其他类型的力不存在时，所有受引力作用 的系统都会坍缩成黑洞。地球之所以没有被它自身的重量压垮，是因为构成它的物质很硬，这硬度来源于电磁力。同样，太阳之所以没有坍缩，也只是因为太阳内部 的核反应产生了巨大的外向力。假如地球和太阳失去这些力，就会在短短的几分钟之内收缩，且越缩越快。随着收缩，引力会增加，收缩的速度也随之加快，从而将 它们吞没在逐步上升的时空弯曲里，变成黑洞。从外部看黑洞，那里的时间好像停止了，不会看到进一步的变化。黑洞所代表的，就是受引力作用系统的最终平衡 态，该态相当于最大的熵。尽管目前对一般的量子引力尚不明了，霍金(StephenHawking)却利用量子论，成功地对黑洞提出了一个熵的公式。这个 事实，有时被叫做黑洞悖论。

　　在廿多岁就解决规范场量子化问题的荷兰理论物理学家胡夫特(G.t'Hooft)，曾向弦学者提出关于弦 论为何没能解决黑洞问题的质询。当时人们并不明白，这究竟是诘难，还是鼓励？然而，在弦论演化成M理论之际，所有的疑问很快消散了。胡夫特这位物理感觉十 分敏锐的天才，在山雨欲来之际听到了雷声，但他也没能预见到，来的是何等样一场风暴！

　　在某些情形下，Dp胚可以解释成为黑洞，或者更 恰当地说是黑胚，即是任何物质(包括光在内)都不能从中逃逸的客体。于是，开弦可以看成是有一部分隐藏在黑胚之中的闭弦。可以将黑洞看成是由7 个紧致维的黑胚构成的,从而M理论将为解决黑洞悖论提供途径。霍金认为黑洞并不是完全黑的，它可以辐射出能量。黑洞有熵，熵是用量子态数目来衡量的一个系 统的无序程度。在M理论之前，如何清点黑洞量子态数目，人们束手无策。斯特龙明格(AndrewStrominger)和瓦法(CumrunVafa)利 用Dp胚方法，计算了黑胚中的量子态数目。他们发现，计算所得的熵与霍金预言的完全一致。这无疑是M理论取得的又一项卓越成就。

　　 10维弦论紧致化到4维的方式有成千上万种，不同方式产生出4维世界中不同的运行机制。于是，不信弦的人认为，这根本就没作预测。然而，在M理论中，黑胚 有望解决这一难题。现已证明，当黑胚包绕着一个洞收缩时，黑胚的质量将会消失。这一性质将对时空本身产生绝妙的影响，它将改变经典拓扑学的法则，使得时空 拓扑发生变化。一个带有若干洞的时空，可以想象成一块沪上的早点——蜂糕。在黑胚作用下，它变成了另一块蜂糕，即变成了另一带有不同数目洞的时空。利用这 一方法，可以把所有不同的时空联系起来。这样，对弦紧致问题的诘难，就容易解决了。M理论最终将依照某种极值原理，选择一个稳定的时空，弦就在这个时空中 生存下来。接下来便是，振动着的弦将产生人类已知的粒子和力，也就是产生出人类所处的现实世界。

　　仍然是个未决问题

　 　尽管M理论已取得累累硕果，然而种种迹象表明，已经窥见的不过是些“雪泥鸿爪”而已，最深层的奥秘尚待揭示，什么是M理论的真面貌，仍然是一个未决问 题。尽管M理论的成功，使弦论学家摆脱了昔日的困境，但他们必将以“往日崎岖还记否？路长人困蹇驴嘶。”来勉励自己3，希望在今后几年中发现M理论的真面 目。

　　美国学者苏什金(LeonardSusskind)等人，进行了一次新尝试，他们称M理论为矩阵理论(英语中矩阵一词，也是以 M开头的)。试图给M理论下一个严格的定义。矩阵理论的基础是无穷多个0胚(也就是粒子)，这些粒子的坐标(即时空位置)不再是通常的数，而是相互之间不 能对易的矩阵。在矩阵理论中，时空本身成了一个模糊的概念，这一方法使物理学家大为振奋。施瓦茨呼吁大家关心这些研究，同时指出矩阵理论含有一个重要的未 决问题：“当多个空间紧致维数出现时，在矩阵理论中用环面Tn紧致化将会遇到困难，或许会找到更好的紧致化方法，否则新的研究是必要的。”

　　爱因斯坦说：“关于这个世界，最不可理解的是，这个世界是可以理解的。”今天，对于M理论，最不可理解的是，它居然已经把理解世界推进了一大步
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二 十世纪初叶的两种新理论完全改变了我们有关空间和时间以及实在本身的思维方式。在超过七十五年后的今天，我们仍在消化它们的含义，以及想把它们合并成能描 述万物的统一理论之中。这两种理论便是广义相对论和量子力学。广义相对论是处理空间和时间，以及它们在大尺度上如何被宇宙中的物质和能量弯曲或卷曲的问 题。另一方面，量子力学处理非常小尺度的问题。其中包括了所谓的不确定性原理。该原理说，人们永远不可能同时准确地测量一颗粒子的位置和速度，你对其中一 个量能测量得越精密，则只能对另一个量测量得越不精密。永远存在一种不确定性或几率的因素，这就以一种根本的方式影响了物体在小尺度下的行为。爱因斯坦几 乎是单独地创立了广义相对论，他在发展量子力学中起过重要的作用。他对后者的态度可以总结在“上帝不玩弄骰子”这句短语之中。但是所有证据表明，上帝是一 位老赌徒，他在每一种可能的场合掷骰子。

　　我将在这篇短文中阐述在这两种理论背后的基本思想，并说明爱因斯坦为什么这么不喜欢量子力 学，我还将描述当人们试图把这两种理论合并时似乎要发生的显著的事物。这些表明时间本身在大约一百五十亿年前有一个开端，而且它在将来的某点会到达终结。 然而，在另一种时间里，宇宙没有边界。它既不被创生，也不被消灭。它就是存在。

　　让我从相对论开始。国家法律只在一个国家内有效，但是 物理定律无论是在英国、美国或者日本都是同样的。它们在火星和仙女座星系上也是相同的。不仅如此，不管你以任何速度运动定律都是一样的。定律在子弹列车或 者喷气式飞机上正和对站立在某处的某人是一样的。当然，甚至在地球上处于静止的某人在事实上正以大约为每秒18.6英里(30公里)的速度绕太阳公转。太 阳又是以每秒几百公里的速度绕着银河系公转，等等。然而，所有这种运动都不影响科学定律，它们对于一切观测者都是相同的。

　　这个和系统 速度的无关性是伽利略首次发现的。他发展了诸如炮弹或行星等物体的运动定律。然而，在人们想把这个观测者速度无关性推广到制约光运动定律时就产生了一个问 题。人们在十八世纪发现光从光源到观测者不是瞬息地传播的，它以某种大约为每秒186000英里(300000公里)的速度旅行。但是，这个速度是相对于 什么而言的呢？似乎必须存在弥漫在整个空间和某种介质，光是通过这种介质来旅行的。这种介质被称作以太。其思想是，光波以每秒186000英里的速度穿越 以太旅行，这表明一位相对于以太静止的观测者会测量到大约每秒186000英里的光速，但是一位通过以太运动的观测者会测量到更高或更低的速度。尤其是人 们相信，在地球绕太阳公转穿越以太时光速应当改变。然而，1887年麦克尔逊和莫雷进行的一次非常精细的实验指出，光速总是一样的。不管观测者以任何速度 运动，他总是测量到每秒186000英里的光速。

　　这怎么可能是真的呢？以不同速度运动的观测者怎么会都测量到同样的速度呢？其答案 是，如果我们通常的空间和时间的观念是对的，则他们不可能。然而，爱因斯坦在1905年写的一篇著名的论文中指出，如果观测者抛弃普适时间的观念，他们所 有人就会测量到相同的光速。相反地，他们各自都有自己单独的时间，这些时间由各自携带的钟表来测量。如果他们相对运动得很慢，则由这些不同的钟表的时间几 乎完全一致，但是如果这些钟表进行高速运动，则它们测量的时间就会有重大差别。在比较地面上和商业航线上的钟表时就实际上发现了这种效应，航线上的钟表比 静止的钟表走得稍微慢一些。然而，对于旅行速度，钟表速率的差别非常微小。你必须绕着地球飞四亿次，你的寿命才会被延长一秒钟，但是你的寿命却被所有那些 航线的糟糕餐饮缩短得更多。

　　人们具有自己单独时间这一点，又何以使他们在以不同速度旅行时测量到同样的光速呢？光脉冲的速度是它在两 个事件之间的距离除以事件之间的时间间隔。(这里事件的意义是在一个特定的时间在空间中单独的一点发生的某种事物。)以不同速度运动的人们在两个事件之间 的距离上看法不会相同。例如，如果我测量在高速公路上奔驰的轿车，我会认为它仅仅移动了一公里，但对于在太阳上的某个人，由于当轿车在路上行走时地球移动 了，所以他觉得轿车移动了1800公里。因为以不同速度运动的人测量到事件之间不同的距离，所以如果他们要在光速上相互一致，就必须了也测量不同的时间间 隔。

　　爱因斯坦在1905年写的论文中提出的原始的相对论是我们现在称作狭义相对论的东西。它描述物体在空间和时间中如何运动。它显示 出，时间不是和空间相分离的自身存在的普适的量。正如上下左右和前后一样，将来和过去不如说仅仅是在称作时空的某种东西中的方向。你只能朝时间将来的方向 前进，但是你能沿着和它夹一个小角度的方向前进。这就是为什么时间能以不同的速率流逝。

　　狭义相对论把时间和空间合并到一起，但是空间 和时间仍然是事件在其中发生的一个固定的背景。你能够选择通过时空运动的不同途径，但是对于修正时空背景却无能为力。然而，当爱因期坦于 1915年提出了广义相对论后这一切都改变了。他引进了一种革命性的观念，即引力不仅仅是在一个固定的时空背景里作用的力。相反的，引力是由在时空中物质 和能量引起的时空畸变。譬如炮弹和行星等物体要沿着直线穿越时空，但是由于时空是弯曲的卷曲的，而不是平坦的，所以它们的路径就显得被弯折了。地球要沿着 一个圆圈绕太阳公转。类似地，光要沿着直线旅行，但是太阳附近的时空曲率使得从遥远恒得来的光线在通过太阳附近时被弯折。在通常情况下，人们不能在天空中 看到几乎和太阳同一方向的恒星。然而，在日食时，太阳的大部分光线被月亮遮挡了，人们就能观测到从那些恒星来的光线。爱因斯坦是在第一次世界大战期间孕育 了他的广义相对论，那时的条件不适合于作科学观测。但是战争一结束，一支英国的探险队观测了1919年的日食，并且证实了广义相对论的预言：时空不是平坦 的，它被在其中的物质和能量所弯曲。

　　这是爱因斯坦的伟大胜利。他的发现完全变革了我们思考空间和时间的方式。它们不再是事件在其中发生的被动的背景。我们再也不能把空间和时间设想成永远的前进，而不受在宇宙中发生事件影响的东西。相反的，它们现在成为动力学的量，它们和在其中发生的事件相互影响。

　 　质量和能量的一个重要性质是它们总是正的。这就是引力总是把物体相互吸引到一起的原因。例如，地球的引力把我们吸引向它，即便我们处于世界的相反的两 边。这就是为什么在澳大利亚的人不会从世界上掉落出去的原因。类似地，太阳引力把行星维持在围绕它公转的轨道上并且阻止地球飞向黑暗的星际空间。按照广义 相对论，质量总是正的这个事实意味着，时空正如地球的表面那样的向自身弯折。如果质量为负的，时空就会像一个马鞍面那样以另外的方式弯折。这个时空的正曲 率反映了引力是吸引的事实。爱因斯坦把它看作重大的问题。那时人们广泛地相信宇宙是静止的，然而如果空间特别是时间向它们自身弯折回去的话，宇宙怎么能以 多多少少和现在同样的状态永远继续下去？

　　爱因斯坦原始的广义相对论方程预言，宇宙不是膨胀便是收缩。因此爱因斯坦在方程中加上额外的 一项，这些方程把宇宙中的质量和能量与时空曲率相关联。这个所谓的宇宙项具有引力的排斥效应。这样就可以用宇宙项的百斥去和物质扔吸引相平衡。换言之，由 宇宙项产生的负时空曲率能抵消由宇宙中质量和能量产生的正时空曲率。人们以这种方式可以得到一个以同样状态永远继续的宇宙模型。如果爱因斯坦坚持他原先没 有宇宙项的方程，他就会做出宇宙不是在膨胀便是在收缩的预言。直到1929年埃德温·哈勃发现远处的星系离开我们而去之前，没人想到宇宙是变化的。宇宙正 在膨胀。后来爱因斯坦把宇宙项称作“我一生中最大的错误”。

　　但是不管不没有宇宙项，物质使时空向自身弯折事实仍然是一个问题，尽管没 有被广泛认识到事情会是这样子的。这里指的是物质可能把它所在的区域弯曲得如此厉害，以至于事实上把自己从宇宙的其余部分分割开来。这个区域会变成所谓的 黑洞。物体可以落到黑洞中去，但是没有东西可以逃逸出来，要想逃逸出来就得比光旅行得更快，而这是相对论所不允许的，这样，黑洞中的物质就被俘获住，并且 坍缩成某种具有非常高密度的未知状态。

　　爱因斯坦为这种坍缩的含义而深深困扰，并且他拒绝相信这会发生。但是罗伯特·奥本海默在 1939年指出，一颗具有多于太阳质量两倍的晚年恒星在耗尽其所有的燃料时会不可避免地坍缩。然后奥本海默受战争干扰，卷入到原子弹计划中，而失去对引力 坍缩的兴趣。其他科学家更关心那种能在地球上研究的物理。关于宇宙远处的预言似乎不能由观测来检验，所以他们不信任。然而在二十世纪六十年代，天文观测无 论在范围上还是在质量上都有了巨大的改善，使人们对引力坍缩和早期宇宙产生新的兴趣。直到罗杰·彭罗斯和我证明了若干定理之后，爱因斯坦广义相对论在这种 情形下所预言的才清楚地呈现出来。这些定理指出，时空向它自身弯曲的事实表明，必须存在奇性，也就是时空具有一个开端或者终结的地方。它在大约一百五十亿 年前的大爆炸处有一个开端，而且对于坍缩恒星以及任何落入坍缩恒星留下的黑洞中的东西它将到达一个终点。

　　爱因斯坦广义相对论预言奇性 的事实引起物理学的一场危机。把时空曲率和质量能量分布相关联的广义相对论方程在奇性处没有意义。这表明广义相对论不能预言从奇性会冒出什么东西来。尤其 是，广义相对论不能预言宇宙大爆炸处应如何启始。这样，广义相对论不是一个完整的理论。为了确定宇宙应如何启始以及物体在自身引力下坍缩时会发生什么，需 要一个附加的要素。

　　量子力学看来是这个必须附加的要素。1905年，也正是爱因斯坦撰写他有关狭义相对论论文的同一睥，他还写了一篇 有关被称为光电效应现象的论文。人们观测到当光射到某些金属上时会释放出带电粒子。使人迷惑的是，如果减小光的强度，发射出的料一阵子数随之减少，但是每 个发射出的粒子的速度保持不变。爱因斯坦指出，如果光不像大家所假想的那样以连续变化的量，而是以具有确定性大小的波包入射，则可以解释这种现象。光只能 采取称为量子的波包形式的思想是由德国物理学家马克斯·普郎克引进的。它有点像人们不以须超级市场买到散装糖，只能买到一公斤装的糖似的。普郎克使用量子 的观念解释红热的金属块为什么不发出无限的热量。但是，他把量子简单地考虑成一种理论技巧，它不对应于物理实在中的任何东西。爱因斯坦的论文指出，你可以 观察到单独的量子。每一颗发射出的粒子都对应于一颗打到金属上的光量子。这被广泛地承认为是对量子理论的一个重要贡献，他因此而获得1922年的诺贝尔 奖。(他应该因广义相对论而得奖可惜空间和时间是弯曲的思想仍然被认为过于猜测性和争议性，所以他们用光电效应替代而颁奖给他，这不是说，它本身不值得这 个奖。)

　　直到1925年，在威纳·海森堡指出光电效应使得精确测量一颗粒子的位置成为不可能后，它的含义才被充分意识到。为了看粒子 的位置，你必须把光投射到上面。但是爱因斯坦指出，你不能使用非常少量的光，你至少要使用一个波包或量子。这具光的波包会扰动粒子并使它在某一方向以某一 速度运动。你想把粒子的位置测量得越精确，你就要用越大能量的波包并且因此更厉害地扰动该粒子。不管你怎么测量粒子，其位置上的不确定性乘上其速度上的不 确定性总是大于某个最小量。

　　这个海森堡的不确定性原理显示，人们不能精确地测量系统的态，所以就不能精确预言它将来的行为。人们所能 做的一切是预言不同结果的概率。正是这种几率或随机因素使爱因斯坦大为困扰。他拒绝相信物理定律不应该对将来要发生的作出确定的、毫不含糊的预言。但是不 管人们是否喜欢，所有证据表明，量子现象和不确定性原理是不可避免的而且发生于物理学的所有分支之中。

　　爱因斯坦的广义相对论是所谓的 经典理论，也就是说，它不和不确定性原理相结合。所以人们必须寻求一种把广义相对论和不确定性原理合并在一起的新理论。这种新理论和经典广义相对论的差异 在大多数情形下是非常微小的。正如早先提到的，这是因为量子效应预言的不确定性只是在非常小的尺度下，而广义相对论处理时空的大尺度结构。然而，罗杰·彭 罗斯和我证明的奇性定理显示，时空在非常小的尺度下会变成高度弯曲的。不确定性原理的效应那时就会变得非常重要，而且似乎导致某种令人注目的结果。

　 　爱因斯坦的关于量子力学和不确定性原理的问题的一部分是由下面的事实引起的，他习惯于系统具有确定历史的概念。一颗粒子不是处于引处便是处于他处。它不 可能一半处于此处另一半处于他处。类似的，诸如航天员登有月球的事件要么发生了要么没有发生。这有点和你不能稍微死了或者稍微怀孕的事实相似。你要么是要 么不是。但是，如果一个系统具有单独确定的历史，则不确定性原理就导致所有种类的二律背反，譬如讲粒子同时在两处或者航天员只有一半在月亮上。

　 　美国物理学家里查德·费因曼提出了一种优雅的方法，从而避免了这些如此困扰爱因斯坦的二律背反。费因曼由于1948 年的光的量子理论的研究而举世闻名。1965年他和另一位美国人朱里安·施温格以及日本物理学家朝永振一郎共获诺贝尔奖。但是，他和爱因斯坦一脉相承，是 物理学家之物理学家。他讨厌繁文缛礼。因为他觉得美国国家科学院花费大部分时间来决定其他科学家中何人应当选为院士，所以他就辞去院士位置。费因曼死于 1988年，他由于对理论物理的多方面贡献而英名长存。他的贡献之一即是以他命名的图，这几乎是粒子物理中任何计算的基础。但是他的对历史求和的概论甚至 是一个更重要的贡献。其思想是，一个系统在时空中不止有一个单独的历史，不像人们在经典非量子理论中通常假定的那样。相反的，它具有所有可能的历史。例 如，考虑在某一时刻处于A点的上颗粒子。正常情形下，人们会假定该粒子从A点沿着一根直线离开。然而，按照对历史求和，它能沿着从A出发的任何路径运动。 它有点像你在一张吸水纸上滴一滴墨水所要发生的那样。墨水粒子会沿着所有可能的路径在吸水纸上弥散开来。甚至在你为了阻断两点之间的直线而把纸切开一个缝 隙时，墨水也会绕过切口的角落。

　　粒子的每一个路径或者历史都有一个依赖其形状的数与之相关。粒子从A走到B的概率可由将和所有从A 到B粒子的路径相关的数叠加起来而得到。对于大多数路径，和邻近路径相关的数几乎被相互抵消。这样，它们对凿子从A走到B的概率的贡献很小。但是，直线路 径的数将和几乎直线的路径。这就是为什么粒子在通过气泡室时的轨迹看起来几乎是笔直的。但是如果你把某种像是带有一个缝隙的一堵墙的东西放在粒了的路途 中，粒子的路径就会弥散到缝隙之外。在通过缝隙的直线之外找到粒子的概率可以很高。

　　1973年我开始研究不确定性原理对于处在黑洞附 近弯曲时空的粒子的效应。引人注目的是，我发现黑洞不是完全黑的。不确定性原理允许粒子和辐射以稳定的速率从黑洞漏出来。这个结果使我以及所有其他人都吃 一惊，一般人都不相信它。但是现在回想起来，这应该是显而易见的。黑洞是空间的一个区域，如果人们以低于光速的速度不可能从这个区域逃逸。但是费因曼的对 历史求和说，粒子可以采取时空中的任何路径。这样，粒子就可能旅行得比光还快。粒子以比光速更快的速度作长距离运动的概率很低，但是它可以以超光速类刚好 够逃逸出黑洞的运动，然后再以慢于光速的速度运动。不确定性原理以这种方式允许粒子从过去被认为是终极牢狱的黑洞中逃逸出来。对于一颗太阳质量的黑洞，因 为粒子必须超光速运动几公里，所以它逃逸的概率非常低。但是可能存在在早期宇宙形成的小得多的黑洞。这些太初黑洞的尺度可以比原子核还小，而它们可以在十 亿吨的质量，也就是富士山那么大的质量。它们能发射出像一座大型电厂那么大的能量。如果我们能找到这样小黑洞中的一个并能驾驭其能量该有多好！可惜的是， 在宇宙四周似乎没有很多这样的黑洞。

　　黑洞辐射的预言是把爱因斯坦广义相对论和量子原理合并的第一个非平凡的结果。它显示引力坍缩并不 像过去以为的那样是死亡的结局。黑洞中粒子的历史不必在一个奇点处终结。相反的，它们可以从黑洞中逃逸出来，并且外面继续它们的历史。量子原理也许表明， 人们还可以使历史避免在时间中有一个开端，也就是在大爆炸处的创生的一点。

　　这是个更困难得多的问题。因为它牵涉到把量子原理不仅应用 到给定的时空背景中的粒子路径，而且应用到时间和空间的结构本身。人们需要做的是一种不仅对粒子的而且也对空间和时间的整个结构的历史求和的方法。我们还 不知道如何恰当地进行这种求和，但是我们知道它应具有的某些特征。其中之一便是，如果人们处理在所谓的虚时间里，而不是在通常的实时间城的历史，那么求和 就更容易些。虚时间是一具很难掌握的概念，它可能是我的书的读者觉得最困难的东西。我还由于使用虚时间而受到哲学家们猛烈的批评。虚时间和实在的宇宙怎么 会相干呢？我以为这些哲学家没有从历史吸取教训。人们曾经一度认为地球是平坦的以及太阳绕着地球转动，然而从哥白尼和伽利略时代开始，我们就得调整适应这 种观念，即地球是圆形的而且它绕着太阳公转。类似的，长期以来对于每位观测者时间以相同速率流逝似乎是显而易见的，但是从爱因斯坦时代开始，我们就得接 受，对于不同的观测者时间流逝的速率不同。此外，宇宙具有唯一的历史似乎是显然的，但是从发现量子力学起，我们就必须把宇宙考虑成具有任何可能的历史。我 要提出，虚时间的观念也将是我们必须接受的某种东西。它和相信世界是圆的是同等程度的一个智慧的飞跃。在有教养的世界中平坦地球的信仰者已是凤毛麟角。

　　你可以把通常的实的时间当成一根从左至右的水平线。左边代表早先，右边代表以后。但是你还可以考虑时间的另一个方向，也就是书页的上方和下方。这就是时间的所谓的庶的方向，它和实时间夹直角。

　 　引入虚时间的缘由是什么呢？人们为什么不只拘泥于我们理解的通常的实时间呢？正如早先所提到的，其原因是物质和能量要使时空向其自身弯曲。在实时间方 向，这就不可避免地导致奇性。时空在这里到达尽头。物理学方程在奇点处无法定义，这样人们就不能预言会发生什么。但是虚时间方向和实时间成直角。这表明它 的行为和在空间中运动的三个方向相类似。宇宙中特质引起的时空曲率就使三个空间方向和这个虚的时间方向绕到后面再相遇到一起。它们会有任何可以叫做开端或 者终结的点，正和地球的表面没有开端或者终结一样。

　　1983年詹姆·哈特尔和我提出，对于宇宙不能取在实时间中的历史求和，相反的， 它应当取在虚时间内的历史的求和，而且这些历史，正如地球的表面那样，自身必须是闭合的。因为这些历史不具有任何奇性或者任何开端或终结，在它们中发生的 什么可完全由物理定律所确定。这表明在虚时间中发生的东西可被计算出来。而如果你知道宇宙在虚时间里的历史，你就能计算出它在实时间里如何行为。以这种方 法，你可望得到一个完整的统一理论，它能预言宇宙中的一切。爱因斯坦把他的晚年献身于寻求这样的一种理论。因为他不相信量子力学，所以他没有寻找到。他不 准备承认宇宙可以有许多不同的历史，正如在对历史求和中的那样。对于宇宙我们仍然不知道如何正确地对历史求和，但是我们能够相当肯定，它将牵涉到虚时间以 及时空向自身闭合的思想。我认为，对于下一代的人而言，这些思想将会像世界是圆形的那么自然。虚时间已经成为科学幻想的老生常谈。但是它不仅是科学幻想或 者数学技巧。它是某种使我们生活于其中的宇宙成形的某种东西。
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钻石分级标准

钻 石 分 级

Diamond grading

前 言

本标准参考了国际标准化组织公布的 ISO/FDIS 11211-1 《抛光钻石分级　第１部分　术语及分类》（ 2002 年英文版）、 ISO/FDIS 11211-2 《抛光钻石分级　第２部分　检测方法》（ 2002 年英文版）中的有关技术内容。

本标准自实施之日起代替 GB/T 16554-1996 。

本标准与 GB/T 16554-1996 相比主要修订内容如下：

棗未镶嵌钻石和镶嵌钻石的起始分级质量修订为 0.0400g (0.20ct) 。

棗对因优化处理而不被分级的样品范围进行了限定。

棗增加了“规范性引用文件”。

棗颜色级别中去除了中文描述。

棗切工分级中增加了“测量项目和测量方法”。

棗质量称重准确度提高至 0.0001g 。

棗对附录 A 中“激光痕”的概念进行了扩充。

棗附录 B 中删除镶嵌钻石品质级别。

棗附录 B 中钻石颜色分级分为： D-E 、 F-G 、 H 、 I-J 、 K-L 、 M-N 、

棗附录 B 中增加镶嵌钻石切工分级内容。

本标准的附录 A 为资料性附录，附录 B 为规范性附录。

本标准由中华人民共和国国土资源部提出。

本标准由全国地质矿产标准化技术委员会归口。

本标准由国家珠宝玉石质量监督检验中心负责起草。

本标准主要起草人张蓓莉、柯捷、田晶、郭涛。

本标准于 1996 年 10 月首次发布。本次为首次修订。

本标准委托国家珠宝玉石质量监督检验中心负责解释。

钻 石 分 级　

范围
适用范围
1.1.1本标准规定了天然的未镶嵌及镶嵌抛光钻石的分级规则。

1.1.2 本标准适用于天然的未镶嵌及镶嵌抛光钻石的分级。

1.2 样品的适用条件

1.2.1 当样品同时满足以下条件时，本标准适用。

1.2.1.1 未镶嵌抛光钻石质量大于等于0.0400g(0.20ct)；镶嵌抛光钻石质量在0.0400g

(0.20ct，含)至0.2000g(1.00ct，含)之间。

1.2.1.2 未镶嵌及镶嵌抛光钻石的颜色为无色至浅黄（褐、灰）色系列。

1.2.1.3 未镶嵌及镶嵌抛光钻石的切工为标准圆钻型。

1.2.1.4 未镶嵌及镶嵌抛光钻石未经覆膜、裂隙充填等优化处理。

1.2.2 质量小于0.0400g(0.20ct)的镶嵌及未镶嵌抛光钻石分级可参照本标准执行。

2 规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB/T 16552 珠宝玉石 名称

GB/T 16553 珠宝玉石 鉴定

GB/T 18303 钻石色级比色目视评价方法

3 术语

下列术语适用于本标准。

3.1

钻石 diamond

是主要由碳元素组成的等轴（立方）晶系天然矿物。摩氏硬度10，密度3.52(±0.01)g/cm3，折射率2.417，色散0.044。

使用“钻石”名词不考虑产地。

3.2

钻石分级 diamond grading

从颜色（colour）、净度（clarity）、切工（cut）及质量（carat1））四个方面对钻石进行等级划分，简称4C分级。

3.3

颜色分级 colour grading

采用比色法，在规定的环境下对钻石颜色进行等级划分。
3.3.1

比色石 diamond master set

一套已标定颜色级别的标准圆钻型切工钻石样品。依次代表由高至低连续的颜色级别。

3.3.2

比色灯 diamond light

色温在5500K~7200K范围内的日光灯。

3.3.3

比色板、比色纸 white background

用作比色背景的无明显定向反射作用的白色板或白色纸。

3.3.4

荧光强度 fluorescence degree

钻石在长波紫外光照射下发出的可见光强弱程度。

3.3.5

荧光强度对比样品 masterstone of fluorescence degree

一套已标定荧光强度级别的标准圆钻型切工的钻石样品，由3粒组成，依次代表强、中、弱三个级别的下限。

3.4

净度分级 clarity grading

在10倍放大镜下，对钻石内部和外部的特征进行等级划分。

3.4.1

钻石的内部特征 internal characteristics

包含在或延伸至钻石内部的天然包裹体、生长痕迹和人为造成的缺陷（详见附录表A.1）。

3.4.2

钻石的外部特征 external characteristics

暴露在钻石外表的天然生长痕迹和人为造成的缺陷（详见附录表A.2）。

3.5

切工分级 cut grading

通过测量和观察，从比率和修饰度两个方面对钻石加工工艺完美性进行等级划分。

3.5.1

标准圆钻型切工 round brilliant cut

由57或58个刻面按一定规律组成的圆形切工(见图1)。标准圆钻型切工各部分名称见图2、图3。



冠部俯视示意图 亭部俯视示意图

图1 标准圆钻型切工冠部、亭部俯视示意图

图 2 标准圆钻型切工侧视示意图

图 3 标准圆钻型切工各刻面名称示意图



3.5.2

直径 diameter

钻石腰部圆形水平面的直径。其中最大值称为最大直径，最小值称为最小直径 ,1/2( 最大直径 + 最小直径 ) 值称为平均直径。

3.5.3

全深 total depth

钻石台面至底尖之间的垂直距离。

3.5.4

腰 girdle

钻石中直径最大的圆周。

3.5.5

冠部 crown

腰以上部分。有 33 个刻面。

3.5.6

亭部 pavilion

腰以下部分。有 24 或 25 个刻面。

3.5.7

台面 table facet

冠部八边形刻面。

3.5.8

冠部主刻面 ( 风筝面 ) upper main facet

冠部四边形刻面。

3.5.9

星刻面 star facet

冠部主刻面与台面之间的三角形刻面。

3.5.10

上腰面 upper girdle facet

腰与冠部主刻面之间的似三角形刻面。

3.5.11

亭部主刻面 pavilion main facet

亭部四边形刻面。

3.5.12

下腰面 lower girdle facet

腰与亭部主刻面之间的似三角形刻面。

3.5.13

底尖 ( 或底小面 ) culet

亭部主刻面的交汇点，呈点状或呈小八边形刻面。

3.5.14

冠部角 α crown angle α

冠部主刻面与腰部水平面的夹角。

3.5.15

亭部角β pavilion angle β

亭部主刻面与腰部水平面的夹角。

3.5.16

比率 proportion

各部分相对于平均直径的百分比。包括以下要素（详见图 4 ）。

3.5.16.1

台宽比 table

台面宽度相对于平均直径的百分比，计算公式见式（ 1 ）。

--------------- （ 1 ）

3.5.16.2

冠高比 crown



图 4

冠部高度相对于平均直径的百分比，计算公式见式（ 2 ）。

----------------(2)

3.5.16.3

腰厚比 girdle

腰部厚度相对于平均直径的百分比，计算公式见式（ 3 ）。

--------------- （ 3 ）

3.5.16.4

亭深比 pavilion

亭部深度相对于平均直径的百分比，计算公式见式 (4) 。

----------------- （ 4 ）

3.5.16.5

全深比 total depth

全深相对于平均直径的百分比，计算公式见式 (5) 。



------------------ （ 5 ）

3.5.16.6

底尖比 culet

底尖直径相对于平均直径的百分比，计算公式见式 (6) 。

--------------- （ 6 ）

3.5.17

修饰度 finish

抛磨工艺的评价。

4 颜色分级

4.1 颜色级别

4.1.1 颜色级别

按钻石颜色变化划分为12个连续的颜色级别，用英文字母D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、

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汪武祥　毛健　呼和　龚章汉　杨万宏　邹金文

摘要：采用氩气雾化和等离子旋转电极雾化两种制粉工艺制备的FGH95粉末和双韧化（颗粒界面韧化+热处理强韧化）热等静压近尺寸成形盘件制备工艺，制备了FGH95粉末涡轮盘。性能达到国外同类合金的A级水平并装机通过了发动机的盘件结构试验与试车。
关键词：FGH95；粉末冶金；热等静压；涡轮盘
中图分类号：TG146.1+5　文献标识码：A　文章编号：1001-4381（1999）12-0000-00

As-HIP FGH95 Powder Metallurgy Superalloy Turbine Disks

WANG Wu-xiang,MAO Jian,HU He,GONG Zhang-han,YANG Wang-hong,ZOU Jin-wen
(Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Abstract： FGH95 powder metallurgy superalloy and the fabrication of turbine disks have been developed by as-HIP.Argon atomized(AA)powder or plasma rotating electride processed (PREP)powder has been toughened by particles boundary toughening and heat treatments,and consolidated to near net shape to produce turbine disks for an aircraft engine. The disks have been successfully passed the ground testings.
Key words：FGH95;powder metallurgy;HIP;turbin disk

　 　作为高性能发动机关键部件之一的涡轮盘材料及其制造技术始终受到国内外航空工程界的特别关注。随着合金化程度的提高，合金的宏观组织偏析愈加严重，工艺 性能恶化，传统工艺制造的高温合金在高推比发动机上的应用受到制约。粉末高温合金具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好等优点，已得到广泛应 用。近卅年来已从第一代粉末高温合金发展到了第二代损伤容限粉末高温合金。
　　FGH95粉末高温合金是一种高合金化的γ′沉淀强化型镍基高温合 金，γ′体积含量达到45%～55%。其屈服强度比GH169高30%，在相同应力下使用温度可提高110℃，是当今650℃使用温度下强度最高的合金。 该合金盘件的制造工艺路线主要有三种∶直接热等静压；挤压+超塑性锻造；热等静压+ 等温锻造。已成功地研制了FGH95粉末涡轮盘，装有DD3单晶叶片的这种盘（图1）已在国内型号发动机首次选用。本文简要介绍FGH95粉末盘的研制及 其应用情况。

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图 1　FGH95粉末涡轮盘与DD3单晶叶片
Fig.1　FGH P/M superalloy turbine disk with DD3
single crystal blades

1　工艺路线与关键技术
1.1　工艺路线
　　采用氩气雾化(AA)和等离子旋转电极雾化(PREP)两种制粉工艺制备的FGH95粉末＋双韧化(颗粒界面韧化＋热处理强韧化)热等静压近尺寸成形盘件制备工艺路线如图2。

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图 2　盘件制备工艺路线
Fig.2　The process of FGH95 P/M superalloy turbine disks

1.1.1　预合金化快速凝固技术
　　采用氩气雾化和等离子旋转电极制备的FGH95成分如表1，快速凝固预合金化粉末粒度细小，微观偏析局限在单个粉末颗粒内，可有效消除合金的宏观偏析。

表 1　FGH95粉末高温合金成分（wt%）
Table 1　The composition of FGH95 P/M superalloy(wt%)
合金元素 W Cr Co Mo Nb
技术标准
(Q/6S) 3.3～
3.7 12～
14 7.0～
9.0 3.3～
3.7 3.3～
3.7
合金元素 Ti Zr Mn Fe Al
技术标准
(Q/6S) 2.3～
2.7 0.03～
0.07 ≤0.015 ≤0.5 3.3～
3.7
合金元素 B S P Si Ta
技术标准
(Q/6S) 0.006～
0.015 ≤0.015 ≤0.015 ≤0.20 ≤0.20
合金元素 C H O N Ni
技术标准
（Q/6S) 0.04～
0.09 ≤0.001 ≤0.015 ≤0.005 余
1.1.2　热等静压近尺寸成形
　 　粉末盘直接热等静压制造技术是用热等静压工艺将预合金化的高温合金粉末直接近尺寸成形成盘件，不需要大型挤压、锻造设备，工序简化。同时采用热等静压过 程计算机模拟技术可实现盘轴一体化等复杂盘形的近尺寸成形，毛坯净化。直接热等静压粉末涡轮盘制造成本明显低于变形粉末涡轮盘件。
1.1.3　组织均匀、各向同性
　　预合金化粉末在盘形包套中全方位、高温高压致密化成形，涡轮盘各部位组织均匀、晶粒细小、无宏观偏析，盘件各部位性能无各向异性。
1.1.4　综合性能优越
　 　FGH95合金是当今650℃使用温度下强度最高、疲劳性能最好的合金，与GH4169合金相比，650℃屈服强度可提高20％；持久强度可提高 200MPa以上；在550℃总应变为0.9％时低周疲劳寿命上高一个数量级。由于采用双韧化处理技术，FGH95粉末盘裂纹扩展速率明显低于美国 Rene′95合金(见表2)(屈服强度水平相当)，在ΔK＝30MPa时与GH4169相当。

表 2　FGH95的da/dN数据及与其它合金的比较
Table 2　The comparison of da/dN properties of FGH95 and other superalloy
合金牌号 试验温度
℃ ΔK/MPa.m1／2
30 40 50 60
FGH95
(PREP95盘) 550 1.921×10－4 5．171×10－4 1.115×10－3 2.088×10－3
FGH95
(AA95盘) 550 3.268×10－4 1.001×10－3 2.379×10－3 4.831×10－3
650 6.412×10－4 1.441×10－3 2.702×10－3 4.515×10－3
GH4169 550 1.894×10－4 4.072×10－4 7.372×10－4 1.197×10－3
650 6.402×10－4 1.313×10－3 2.292×10－3 3.614×10－3
Rene′95 540 1.2×10－3 2.5×10－3 3.95×10－3 8.5×10－3
1.2　关键技术
1.2.1　粉末表面净化和表面改性及颗粒界面韧化
　　热诱导孔(TIP)和原始颗粒边界析出(PPB)是两种危害粉末盘冶金质量与力学性能的主要缺陷。原始颗粒边界碳化物析出将严重阻碍颗粒之间的扩散与连接而形成弱界面，成为裂纹优先形成源区和扩展通道。国外主要采用变形工艺加以消除。
　 　本项目研究中采用粉末表面净化、粉末表面改性及颗粒界面韧化技术消除这些缺陷。研究结果表明，采用固体颗粒表面在真空温度场下解吸、脱附的机理，粉末经 过真空热动态除气处理使其表面吸附的气体充分解吸，有效地减缓了原始颗粒边界析出（如图3）［1］与热诱导孔洞（TIP）缺陷。

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图 3　不同温度除气净化后的PPB析出
(a) 未脱气；(b) 室温脱气;(c) 高温脱气
Fig.3　Morphology and distribution of PPB precipitation of compacts
(a) without degas;(b) degas at RT;(c) degas at HT

　 　粉末表面改性是利用粉末自由表面易于扩散的特点，通过热等静压(HIP)前的粉末预处理(PHT)，使粉末表面析出相的特征参数λ/ρ(λ-析出相间 距，ρ-析出相直径)明显增大(图4)［2］，稳定性增强，从而保证HIP时颗粒界面的充分扩散，HIP后合金的颗粒界面得到韧化。结果表明，经合金颗粒 界面韧化处理后，合金的塑性和持久性能提高近一倍(见图5,6)［2］，并使合金的断裂行为由沿颗粒断裂转变为穿颗粒断裂。本项目首次在国内外实现了粉末 预处理在盘件制造中的实际应用，解决了国外只有通过变形才能消除的原始颗粒边界析出缺陷这一难题。
1.2.2　热等静压致密化过程计算机模拟及包套制备

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图 4　PPB特征参数随PHT温度的变化
Fig.4　The statistical results of λ/ρ of PPB

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图 5　PHT对AA95粉末合金性能的影响
Fig.5　The effect of PHT on the properties of AA95 superalloy

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图 6　PHT对PREP95粉末合金性能的影响
Fig.6　The effect of PHT on the properties
of PREP95 superalloy

　 　为实现轴盘一体化涡轮盘的热等静压近尺寸成形，应用有限元模拟技术研制了FGH95粉末 HIP致密化过程分析软件，软件的模拟计算精度达1％，达到国际先进水平，实现了复杂形状包套近尺寸成形的高精度设计和盘件的近尺寸成形；该软件还能针对 盘件大中心孔在热等静压过程中的扩张或收缩、包套焊缝的设计以及包套壁厚的选择等问题进行可靠的预测(图7)。采用橡皮囊液压技术，成功地制备了复杂形状 的包套，保证了盘件近尺寸成形的效果和质量。

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图 7　导流盘包套封焊处热等静压的受力分析
Fig.7　The stress at the welding jont of
guide disk during HIP

1.2.3　粉面高度探测技术
　 　由于粉末在除气、装入包套的整个过程中应保证全过程密闭，对粉末在包套内部的装填高度的准确探测直接关系到包套封焊质量和最终零件的密度和尺寸精度。为 解决包套内部粉面高度探测问题，成功研制了内测型粉面高度探测仪，操作简便，可靠性高，探测准确度可达到100％。突破了采用射线或电子束真空焊接才能实 现的难题。
1.2.4　盘件优化热处理及计算机模拟技术
　　热处理是保证盘件最终性能的关键工艺。由于粉末高温合金性能与淬裂性对冷速非 常敏感，热处理既要保证得到良好的综合性能，又要保证盘件的淬火完整性。本项目研究了各种淬火介质的冷却特性、工艺-组织-性能的关系(如图8)，发展了 颗粒界面韧化技术＋控制冷速的强韧化热处理技术，既保证了淬火完整性，又使FGH95粉末盘件的抗裂纹扩展性能明显改善。同时，发展了热处理过程的计算机 模拟技术，通过该模拟技术可预测在一定工艺条件下盘件内部性能分布，突破了传统的涡轮盘热处理研究模式，实现了工艺—组织—性能的可预测性和可追踪性。

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图 8　淬火冷速对FGH95合金拉伸强度的影响
Fig.8　The effect of cooling rate on the
UTS and YS of FGH95 superalloy

1.2.5　喷丸强化技术
　 　盘件表面完整性的改善对提高疲劳性能至关重要。本课题在国内领先开展了粉末高温合金盘件的喷丸强化技术研究，提出了直接热等静压FGH95的喷丸强化工 艺。该技术通过在表面上引入残余应力场阻止疲劳裂纹萌生及短裂纹扩展，减少或消除表面上及近表面层内的热诱导孔洞，提高表层材料的致密度，细化表层材料的 亚晶粒尺寸，可使材料的疲劳寿命提高一倍，缺口疲劳极限提高25%以上，缺口敏感度降低50％以上，保证了盘件表面完整性。
1.2.6　盘件的超声无损检测技术与质量监控
　 　缺陷是影响粉末涡轮盘使用可靠性的致命因素，也是盘件研制过程中质量控制最重要的一环。本项目建立了水淘选夹杂检测系统和夹杂图象分析系统，实现了对原 材料质量的有效监控。并在国内首次自行研制成功了高精度粉末盘高频超声转盘式自动检测系统，建立了国内第一个粉末涡轮盘超声检测方法。氩气雾化 FGH95粉末盘近表面缺陷的检测精度可以达到50μm，并首次将声速测量方法用于粉末盘致密性的检测中，盘件致密性、均质性及缺陷的检测能力均达到较高 水平。

2　研究与应用结果
　　FGH95合金及盘件性能水平达到国外同类合金及盘件的水平(见表3)。

表 3　合金及盘件性能数据对比
Table 3　The comparison of properties of Rene′95 and FGH95
　 室 温 拉 伸 650℃ 拉 伸 650℃
/1034MPa 538℃
R=-1
　 σb/
MPa σ0.2/
MPa δ/
% ψ/
% σb/
MPa σ0.2/
MPa δ/
% ψ/
% t/
h δ/
% Δεt=0.78％
Rene′95
A级标准 1586 1241 10 12 1427 1151 8 10 >50 >3 >6000
FGH95
合金 1728～
1731 1331～
1344 16.4～
17.0 15.3～
16.0 1513～
1534 1220～
1228 10.0～
10.8 13.5～
16.1 96～
126 3.6～
5.2 >40000
Rene′95
同类发动机
实测值 1558～
1654 1234
11～
17 15～
19 1468～
1510 1082～
1144 14

17


　


　
　
FGH95
某机盘
实测值 1637－
1680 1250－
1331 17.4－
20.0 24.4～
29.3 1569～
1651 1134～
1220 10.4～
20.7 15.3～
20.7 73－
186 4.8-
6.8 >100000

　 　经某机超转及额定转速状态下的强度计算表明，应力储备明显优于国内目前综合性能最好的涡轮盘材料GH4169。粉末盘的最小破裂转速为 73575rpm，最小破裂比1.64。低循环寿命也能满足设计任务书的要求。本项目在B752高速超转和疲劳试验器上按国军标涡轴发动机通用规范，成功 地进行了高转速、高负荷、复杂结构粉末盘件的超转(115%)、低循环疲劳(9000rpm～45000rpm)及振动模态试验, 试验后盘件经荧光无损检测未发现异常。装有粉末涡轮盘的某发动机试车性能达到设计指标，并通过了国家评审。

作者简介：汪武祥(1941-)，男，高级工程师，长期从事粉末高温合金和粉末材料的研究工作，现任北京航空材料研究院粉末冶金与钛合金室副主任。联系地址：北京81信箱15分箱100095

作者单位：北京航空材料研究院，北京 100095

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