中國科學家建立超越愛因斯坦廣義相對論的引力量子場論

引力場中的光線偏折
一百年前,愛因斯坦通過推廣狹義相對論而創立了廣義相對論,建立起引力與時空幾何的內在聯繫,成為二十世紀理論物理劃時代的進展。另一方面,狹義相對論與量子力學作為二十世紀理論物理具有變革性的進展,它們的成功統一建立了相對論量子場論。量子場論作為描述微觀世界的基本理論,成功地應用於電磁力、弱作用力和強作用力三種基本作用力的描述,導致粒子物理標準模型的建立,成為二十世紀理論物理的重大突破性進展。廣義相對論作為引力的經典理論,對宇觀世界的描述得到了實驗的證實。儘管如此,廣義相對論與量子力學的統一至今未能取得成功。其主要障礙包括:以彎曲時空動力學為基礎的廣義相對論不再具有四維時空平移不變性,不能像狹義相對論中那樣很好地定義和度量時間間隔和空間間隔以及能量和動量等物理守恆量。為此,建立自洽的量子引力理論成為半個多世紀以來理論物理學家一直在探討的前沿科學問題,它的成功建立將不僅對理解早期宇宙的起源和演化至關重要,而且對量子理論本身的普適性和自洽性起著根本性的作用。量子論與決定論一直是愛因斯坦和科學家們關注和爭論的焦點。

最近,中國科學院大學亞太國際理論物理中心、中國科學院理論物理研究所/理論物理國家重點實驗室、中國科學院卡弗里理論物理研究所研究員、中科院院士吳岳良,打破愛因斯坦廣義相對論中關於廣義坐標變換不變假設的局限,不再從推廣狹義相對論和坐標時空幾何的途徑來構建量子引力理論,而是基於量子場論和對稱原理,建立超越愛因斯坦廣義相對論的引力量子場論。該理論假定物質基本組元由狄拉克費米子量子場來描述,自然界基本作用力由狄拉克費米子量子場內禀量子自由度之間的規範對稱性來支配,即物質基本組元之間通過楊-米爾斯玻色子量子場傳遞相互作用。該理論進一步假定狄拉克費米子量子場具有內禀自旋和標度規範對稱性,自然界基本規律應與時空坐標和標度選取無關並遵循局域規範不變的原理。由此,自然地引入引力場和自旋規範場以及標度場和標度規範場,並提出雙標架四維時空的概念,即:具有整體洛倫茲和標度對稱性的四維坐標時空和具有局域自旋和標度規範對稱性的四維引力場時空,前者作為狹義相對論中整體平坦的閔氏坐標時空,描述量子場的運動和度量,後者作為局域平坦的引力場時空,決定量子場的內禀自旋自由度和相互作用表示;引力場作為雙標架四維時空中的雙協變規範矢量場,形成非對易局域平坦的四維引力場時空,並與所有量子場相互作用。

基於以上基本原理和假設,研究表明,在四維引力場時空中建立的引力量子場論,可統一描述引力、電磁力、弱力、強力、自旋力和標度力等自然界基本相互作用力。並導出含有引力場效應的所有基本量子場運動方程和所有基本對稱性對應的守恆定律,包括超越愛因斯坦廣義相對論的引力場方程和能動量守恆定律。不同於愛因斯坦廣義相對論,在引力量子場論中,彎曲坐標時空的幾何度規不再作為基本引力場。對稱原理作為刻畫對稱與對稱破缺的基本原理,研究發現,當引力場時空中的局域自旋和標度規範對稱性破缺到整體洛倫茲和標度對稱性後,通過求解運動方程得到由四維協變宇宙波矢決定的背景引力場。背景引力場的嚴格解給出宇宙膨脹和收縮的性質,構成共形平坦的四維背景引力場時空,由宇宙波矢決定的宇宙視界給出宇宙尺度的大小。以共形固有時間或宇宙固有時間為時間尺度的四維時空中,宇宙不再呈現各向同性的性質,只有在與背景場共動的四維時空中,四維背景引力場時空才表現出各向同性。當以宇宙固有時作為四維時空中的時間度量,早期宇宙的空間尺度將呈現指數暴脹的性質。研究表明,正是引力量子場論中的量子效應,使得引力標度子引發整體標度對稱性破缺而導致早期宇宙的暴脹,給出以量子暴脹宇宙為起源的量子引力場時空動力學。研究證明,引力量子場論在低能情況下的有效理論給出愛因斯坦廣義相對論,預言無質量的引力子以及有質量的自旋規范子和標度規范子。由此得出結論,相比於愛因斯坦廣義相對論中廣義坐標變換不變的假設,引力量子場論中關於自然界基本規律與時空坐標和標度選取無關並遵循局域規範不變的假設更為基本。

【圖:互聯網;文:節錄自國家航天局網頁 ;新聞訊息由林景明提供】

量子場論(Quantum field theory)是量子力學和古典場論相結合的物理理論,已被廣泛的應用於粒子物理學和凝聚體物理學中。量子場論為描述多粒子系統,尤其是包含粒子產生和湮滅過程的系統,提供了有效的描述框架。

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