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科学家建立超越爱因斯坦广义相对论的引力量子场论

文章来源:中国科学院大学    发布时间:2016-01-20  【字号:      】

  一百年前,爱因斯坦通过推广狭义相对论而创立了广义相对论,建立起引力与时空几何的内在联系,成为二十世纪理论物理划时代的进展。另一方面,狭义相对论与量子力学作为二十世纪理论物理具有变革性的进展,它们的成功统一建立了相对论量子场论。量子场论作为描述微观世界的基本理论,成功地应用于电磁力、弱作用力和强作用力三种基本作用力的描述,导致粒子物理标准模型的建立,成为二十世纪理论物理的重大突破性进展。广义相对论作为引力的经典理论,对宇观世界的描述得到了实验的证实。尽管如此,广义相对论与量子力学的统一至今未能取得成功。其主要障碍包括:以弯曲时空动力学为基础的广义相对论不再具有四维时空平移不变性,不能像狭义相对论中那样很好地定义和度量时间间隔和空间间隔以及能量和动量等物理守恒量。为此,建立自洽的量子引力理论成为半个多世纪以来理论物理学家一直在探讨的前沿科学问题,它的成功建立将不仅对理解早期宇宙的起源和演化至关重要,而且对量子理论本身的普适性和自洽性起着根本性的作用。量子论与决定论一直是爱因斯坦和科学家们关注和争论的焦点。

  最近,中国科学院大学/亚太国际理论物理中心、中国科学院理论物理研究所/理论物理国家重点实验室、中国科学院卡弗里理论物理研究所研究员、中科院院士吴岳良,打破爱因斯坦广义相对论中关于广义坐标变换不变假设的局限,不再从推广狭义相对论和坐标时空几何的途径来构建量子引力理论,而是基于量子场论和对称原理,建立超越爱因斯坦广义相对论的引力量子场论。该理论假定物质基本组元由狄拉克费米子量子场来描述,自然界基本作用力由狄拉克费米子量子场内禀量子自由度之间的规范对称性来支配,即物质基本组元之间通过杨-米尔斯色子量子场传递相互作用。该理论进一步假定狄拉克费米子量子场具有内禀自旋和标度规范对称性,自然界基本规律应与时空坐标和标度选取无关并遵循局域规范不变的原理。由此,自然地引入引力场和自旋规范场以及标度场和标度规范场,并提出双标架四维时空的概念,即:具有整体洛伦兹和标度对称性的四维坐标时空和具有局域自旋和标度规范对称性的四维引力场时空,前者作为狭义相对论中整体平坦的闵氏坐标时空,描述量子场的运动和度量,后者作为局域平坦的引力场时空,决定量子场的内禀自旋自由度和相互作用表示;引力场作为双标架四维时空中的双协变规范矢量场,形成非对易局域平坦的四维引力场时空,并与所有量子场相互作用。

    基于以上基本原理和假设,研究表明,在四维引力场时空中建立的引力量子场论,可统一描述引力、电磁力、弱力、强力、自旋力和标度力等自然界基本相互作用力。并导出含有引力场效应的所有基本量子场运动方程和所有基本对称性对应的守恒定律,包括超越爱因斯坦广义相对论的引力场方程和能动量守恒定律。不同于爱因斯坦广义相对论,在引力量子场论中,弯曲坐标时空的几何度规不再作为基本引力场。对称原理作为刻画对称与对称破缺的基本原理,研究发现,当引力场时空中的局域自旋和标度规范对称性破缺到整体洛伦兹和标度对称性后,通过求解运动方程得到由四维协变宇宙波矢决定的背景引力场。背景引力场的严格解给出宇宙膨胀和收缩的性质,构成共形平坦的四维背景引力场时空,由宇宙波矢决定的宇宙视界给出宇宙尺度的大小。以共形固有时间或宇宙固有时间为时间尺度的四维时空中,宇宙不再呈现各向同性的性质,只有在与背景场共动的四维时空中,四维背景引力场时空才表现出各向同性。当以宇宙固有时作为四维时空中的时间度量,早期宇宙的空间尺度将呈现指数暴胀的性质。研究表明,正是引力量子场论中的量子效应,使得引力标度子引发整体标度对称性破缺而导致早期宇宙的暴胀,给出以量子暴胀宇宙为起源的量子引力场时空动力学。研究证明,引力量子场论在低能情况下的有效理论给出爱因斯坦广义相对论,预言无质量的引力子以及有质量的自旋规范子和标度规范子。由此得出结论,相比于爱因斯坦广义相对论中广义坐标变换不变的假设,引力量子场论中关于自然界基本规律与时空坐标和标度选取无关并遵循局域规范不变的假设更为基本。

  相关工作应邀在纪念爱因斯坦广义相对论100周年的“引力与宇宙学国际会议”和“第四届伽利略-徐光启会议”上报告。

  相关成果发表于《物理评论》Phys. Rev. D 93, 024012 (2016)】。




(责任编辑:叶瑞优)

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