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独家专访吴岳良院士:新的引力量子化路线图

原标题:独家专访吴岳良院士:新的引力量子化路线图

2016年初的北京,一股霸王级寒潮从西伯利亚奔袭而至,空气变得有点冷。

1月11日,中国科学院院士、中国科学院大学副校长、中国科学院卡弗里理论物理研究所所长吴岳良院士在《物理评论D》上发表了一篇论文,该论文的主题是关于“引力的量子场论”。

这篇文章仿佛是寒夜中的一股暖流温暖了整个冻僵的学术圈,在学界与新闻界引起一阵狂热的骚动。不仅仅是因为吴岳良在中国理论物理学界地位特殊,同时因为“引力的量子场论”被学界公认为是一个终极性难题,因为解决了这个问题就可以让我们知道早期宇宙为何开启大爆炸之旅。这就是所谓“第一推动”问题,没有人可以拒绝它的神秘魅力。

那么,这篇论文所探讨的“引力的量子场论”到底是什么?物理实质到底是什么?带着一系列问题,蝌蚪君独家专访了吴岳良。

吴岳良院士(蝌蚪君/摄)

20年前:1996年回国后就开始与周光召院士一起做大统一理论

吴岳良介绍说,1996年他从国外回国后,就开始做自己认为重要的问题,很少跟风做研究。1997年,吴岳良与他以前的导师周光召先生一起,在《中国科学》杂志上发表了一篇论文,题目就是《对所有基本力的一种可能的大统一模型 》。这是他们做引力量子理论的最早的想法。

蝌蚪君:“当时你们发的这个文章是包括引力的吗?”

吴岳良:“是的,当时我回国的原因 ,主要是想开始做引力的问题。在这之前,我做了一些轻子、夸克以及CP破坏的工作,回国后我主要是想做引力的量子理论。”

蝌蚪君:“我们先说一下您与周光召院士当时的大统一理论,当时关于除引力外 的 三种力的统一理论基本已经有了,比如温伯格、格拉肖与萨拉姆等人的弱电统一理论以及粒子物理的标准模型。”

吴岳良:“对 ,但我们要找出电子的质量,所有夸克的质量以及这些质量之间的关系 。”

蝌蚪君:“基本粒子的质量是自由参数,是不能用理论进行预言的吧。”

吴岳良:“对,但通过我们的超对称大统一模型,我们输入大概5个参数,可以给出10多个基本的关系式,这些关系式可以预言这些粒子的质量,有些还与实验符合的很好。“

因为有了20年前的这段研究大统一模型的经历,在吴岳良内心深处种植下了一个量子引力的梦。虽然后来到了1998年,因为日本的小柴昌俊等人发现来自16万光年之外的超新星中微子以及其他发现中微子振荡的事情,把吴岳良的目光也吸引到了中微子物理领域,但关于引力的量子化(也就是大统一理论)的梦想一直藏在吴岳良的内心深处。

也许20年后吴岳良的工作,可以看成是“不忘初心,方得始终”的结果。

改弦易辙:从弯曲时空到平坦时空

吴岳良告诉蝌蚪君,当年刚回国时候发在《中国科学》杂志上的论文是他开始做引力量子化的第一篇论文。但在那篇论文中,吴岳良还是没有跳出传统的思维陷阱——那就是爱因斯坦说的“引力是弯曲时空的表现”。所以,当时的那篇文章还是在弯曲时空里做的,因此量子化引力的部分做的不是特别成功。

因此,从1996年回国开始算起,在差不多20年之后,到了2016年发表在《物理评论D》上的这篇文章,吴岳良开始做出重大的技术调整:不再像爱因斯坦那样把引力看成是弯曲时空的表现,而是直接在平坦时空引入引力场作为量子场,并提出双标架四维时空,即整体平坦坐标时空和局域平坦引力场时空。这一技术路线的选择,使得他开始“超越爱因斯坦提供的技术路线”。

蝌蚪君:“从弯曲时空回到平坦时空是一个思想转变,但据我所知,所有在平坦时空上的引力量子理论都面临重整化的困难,您最近的文章如何解决这个问题?”

吴岳良:“重整化的问题不一定是发散问题,有时候有限的物理量也需要重整化。若出现无穷发散进行重整化时,首先我们要做正规化,使得无穷发散积分很好地定义并具有物理意义。这些年我发展了一套自己的正规化方案,称作为圈正规化方法,这区别于量子场论中的维数正规化等方案。用我的这套正规化方法,可克服无穷发散问题,考虑标度不变引力量子场论存在基本质量标度,可用来解决引力量子化时的重整化问题。”

蝌蚪君:“您选择平坦时空来量子化引力还有其他原因吗?”

吴岳良:“时空是平坦的,那么能量守恒,动量守恒等这些守恒律都还在,如果时空是弯曲的,那么这些守恒律都不在了。”

思想内核:用洛仑兹群作为规范群建立新的引力规范理论

吴岳良认为,20世纪物理学的发展,以杨振宁为代表的物理学家建立的规范对称决定相互作用的思想是主流的物理思想。比如电磁力对应于U(1)对称,弱力差不多对应于SU(2)对称,而强力对应于 SU(3)对称。按照这一套来自规范场论的思路,吴岳良把引力也对应于一个场空间的对称性群,这个群同构与洛仑兹群SO(1,3)(蝌蚪君注:洛仑兹群本身体现了狭义相对论的思想精髓),但因为洛仑兹群是时空的对称性群,所以吴岳良以SP(1,3)来描述这个引力场空间的对称性群,把整体平坦坐标时空的对称性与局域平坦引力场时空的对称性区分开来成为吴岳良最近这篇论文的思想内核。

蝌蚪君:“这种SP(1,3)的场空间对称性有没有通俗一点的解释?”

吴岳良:“你看描述电子的方程是Dirac方程,这个方程的解有4个分量,是一个4分量旋量。这个4分量旋量就体现了这种SP(1,3)的场空间对称性。”

蝌蚪君:“那您的理论中,引力场也具有这种SP(1,3)的场空间内禀对称性?”

吴岳良:“是的。在我的这个理论中,实际上是把Dirac方程中的场进行了推广,Dirac方程一开始被解释为电子与正电子,自旋,实际上这体现了场空间的SP(1,3)对称性。但SP(1,3)对称性的内涵还可以更多,事实上,电磁力、弱力,强力以及引力都是其对称性群表示空间的矢量。“

从云端回到地面:可以回到爱因斯坦的引力场方程

吴岳良用规范场论的方法构造了传统的引力理论,并且对之进行了量子化,这个结果可以处理黑洞问题,也可以解释宇宙的起源。但这一过程的数学操作相当复杂,在对整个理论进行对称的局部化的时候,会引出一些新的场;在对称破缺的时候,又会产生一些新的场;在做规范固定的时候,又会引起新的场——据吴岳良院士介绍,这个场正是大家梦寐以求的引力场,而且这里面还体现了引力场的基本性质(在坐标系变换之下的广义协变性,只不过这个性质在吴岳良的理论中是被隐藏起来的,是一种隐藏的对称性)。

蝌蚪君:“您的论文中提到您可以得到爱因斯坦的场方程,这就好像坐飞机可以从云端回到地面,请问您这个场方程与爱因斯坦原来的那个引力场方程的形式是一模一样的吗?您的理论是如何回到爱因斯坦引力方程?”

吴岳良:“当然可以回到爱因斯坦引力方程,但我的理论中也考虑了引力场本身的能量动量张量。在低能近似下,我把引力场的能量动量张量与物质场的能量动量张量加起来,得到的总的结果等于零——你可以把物质场的这一项移项到方程的右边,就可以看出这其实就是爱因斯坦的引力场方程。因此,我可以说,爱因斯坦引力方程是我的理论的一个低能近似,当然在高能情况下我的理论比爱因斯坦引力方程多出很多东西,比如自旋与自旋的相互作用等。”

应用到黑洞:霍金等人一直在争论的黑洞信息问题本身就是一个伪命题

蝌蚪君:“您是在平坦时空上来做引力,必然会遇见一个问题,那就是黑洞附近的物理过程怎么处理?我们都知道黑洞附近的时空是弯曲的。”

吴岳良:“对于黑洞这个问题,我与蔡荣根研究员讨论过很多次,我说你们搞相对论的到底怎么看这个黑洞,你们搞相对论的黑洞解,是一个数学上的解,并没有考虑真实的物质场之间的相互作用以及这些物质怎么引起黑洞的形成。”

吴岳良对黑洞的一些基本问题有自己独到的看法。他认为传统的史瓦西黑洞、克尔黑洞等等都只是真空爱因斯坦场方程的一个精确解。因为是真空解,所以其实并没有考虑真实物质存在情况下的物理。

吴岳良:“目前所得到的黑洞解是引力场本身引起的一个时空的效应,跟你的物质没有关系。”

蝌蚪君:“物质都进去了,都在黑洞里面了……物质的信息进了黑洞都丢了,这就是现在霍金他们争论的黑洞信息的一些佯谬。

吴岳良:“我不是这么看这个问题的。我们可以类比强作用中的胶子,胶子本身有相互作用,所以可以形成胶球。引力子自身之间也存在类似的自己跟自己的非线性相互作用,所以要我说,黑洞就是一个纯引力的'引力球'一类的东西。根本就没有考虑其他物质场与引力的耦合,也没有考虑物质与物质之间的相互作用。”

蝌蚪君:“您这个是更物理的说法,但我们一般认为就是物质存在过,但后来都被黑洞吸走了,信息都丢了。”

吴岳良:“你们这是自己给自己提一个问题。你们自己说信息丢了,然后再去找信息,我跟你说,你们这个黑洞本来就是一个真空解,本来就没有物质,你现在又要去找物质的信息干吗呢?”

吴岳良认为,霍金等人一直在争论的黑洞信息问题本身就是一个伪命题。

应用到宇宙学:标度不变性引入的标度场控制了宇宙的暴涨

在任何一个完善的量子引力理论中,除了要解释黑洞的问题,还需要解释宇宙学的问题。对于宇宙学方面,吴岳良也有自己的看法。

在吴岳良构造的描述整个宇宙演化的拉氏量中,可以看到很多项,这里每一项都表示一个场,这些场在一起控制了整个量子宇宙的演化。其中有一个保证理论标度不变而引入的标度场起到了十分重要的作用。

蝌蚪君:“我们知道,量子宇宙学在时间上大约开始于宇宙大爆炸10的-43次方秒的时候,然后在10的-35次方秒的时候发生了强相互作用相变,到了10的-30次方秒的时候发生了暴涨,到10的-10次方秒的时候发生了弱电相变。那么在您的理论中,这些时间尺度是怎么出现的呢?”

吴岳良:“在我的理论中有一个标度不变所要求的标度场,使得理论是无量纲的,可以把这个标度场在普朗克尺度取一个数值,然后在目前的宇宙尺度上取一个数值,就可以把这个标度场定下来,也就可以定出你说的那些时间刻度了。但一开始,我的理论是没有这些特征时间标度的,而是通过对称破缺引发的。”

因此吴岳良的理论可以很好地解释宇宙的起源。

访谈结束后吴岳良院士与笔者合影

前沿科学论坛讲演:超越爱因斯坦

在接受完蝌蚪君独家专访的当天下午,吴岳良在中科院理论物理所举行的前沿科学论坛做了演讲。演讲由中国物理学会引力与相对论天体物理分会理事长蔡荣根研究员主持。戴元本、朱重元、苏肇冰、黄超光、朱建阳、凌意、吴俊宝等研究员(教授)也聆听了吴院士的精彩报告。参加报告会的教授、博士后与博士研究生济济一堂,人数大概有200余人。毫无疑问,广义相对论与量子论的统一至今仍是理论物理界的研究热点。

吴岳良在讲演中表示,他的研究工作确实有超越爱因斯坦引力理论的部分。

吴岳良也对蝌蚪君表示,在这二十年磨一剑的研究过程中,他的工作目标是在中国的理论物理学界倡导一种“提出新思想”的氛围,形成“百家争鸣”的局面。量子引力理论本身是一个极端困难的问题,蝌蚪君相信,吴岳良院士给出了新的引力量子化的路线图,以此为基础,也许能给这个高深领域的研究带来新的灵感。

本篇采写 蝌蚪五线谱 张轩中

(感谢中国科学院大学吴宝俊老师的采访协助)返回搜狐,查看更多

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