前言:本文是本次暑期学校要递交的小作品,应付差事就写了这个小文章。

爱因斯坦于1916年系统地提出了广义相对论,之后得到了很多实验的支持,取得了理论上的成功。这样一个理论刚提出来的时候,必然要解决一些其他理论未曾解决的问题,并能够给出实验上还未发现的预言。

广义相对论著名的预言大致有以下几点:水星进动,光线在引力场附近会弯折,引力强的地区时间会流逝的较慢,引力波等。除了引力波之外,其余预言在很早之前就已经被证实。最近南极观测到的引力波也能证实引力波的存在。除此之外,广义相对论也应用到了当今最热的一门学科上——宇宙学。

基于广义相对论,我们已经建立了标准宇宙学模型。标准宇宙模型是建立在FRW度规之上的一门研究宇宙发展与起源的科学。标准宇宙学给了我们很多可观测的,与事实相符的预言。标准宇宙学的内容很多,其大致上说明了宇宙起源于约137亿年前的大爆炸,然后经历了暴涨阶段,辐射为主阶段,物质为主阶段等一系列发展过程,并在每一个阶段都定量的给出了可进行观测的效应。除此之外,这个模型的很多预言都是成功的,包括太初核合成时期形成的化学元素初始丰度、宇宙的大尺度结构及早期的宇宙温度在今天散步在全宇宙中的宇宙微波背景辐射。以上这些都在观测上被验证了。

从天文观测到的宇宙膨胀速率和星系的转动方面,我们可以估算宇宙中应当存在的物质总量,然后发现估算值和观测值相差很大。观测到的物质只占估算出的值的5%左右,剩下的95%都是未知,而且这些物质没有与我们所知的物质发生已知的相互作用。这些未知的东西分为两部分,暗物质和暗能量。对于暗能量,具体来说是对遥远的超新星红移的观测以及对宇宙微波背景辐射的测量显示,我们的宇宙的演化过程在很大程度上受宇宙常数值的影响,而正是宇宙常数的值决定了现在宇宙的加速膨胀。换句话说,宇宙的加速膨胀是由具有非通常意义下的状态方程的某种能量形式决定的,这种能量被称作暗能量,其本性也仍然不为所知。这些是标准宇宙学没有解决的问题,也是当今宇宙学的研究热点。然而,标准宇宙学还有其他一些未解决的问题,例如宇宙微波背景辐射的高度各向同性,该问题后来引入了暴涨模型。

暴胀模型是说,宇宙曾在诞生的极早期(~10-33秒)经历了剧烈的加速膨胀过程。目前这个理论还属于假说。现在对微波背景辐射各向异性的观测结果是支持暴胀模型的证据之一。然而,暴胀的可能的方式也是多样的,现今的观测还无法对此做出筛选。一个研究热点是关于极早期宇宙的物理学的,这涉及到发生在暴胀之前的、由经典宇宙学模型预言的大爆炸奇点。对此宇宙学家普遍相信,这个问题需要由一个完备的量子引力理论来解答,而这个理论至今还没有建立。弦论和圈量子引力是比较热门的两个理论,本文在后文将会简述。

普遍认为,自然界存在四种力,包括引力、电磁力、强力、弱力。后面三种力被统一到了粒子物理标准模型中,只有引力难以与其他三种力统一在一起。上文提到的弦论和圈量子引力都是将四种力统一起来的理论即量子引力理论。这两种理论的出发点不同,但是目的是相同的。共同的做法就是把引力量子化。

为什么要将引力量子化呢?因为目前理论物理的两大支柱理论,即广义相对论和量子理论这两个理论有难以调和的矛盾。量子理论描述微观世界,而且非常精确,无数实验已经证明了量子理论的正确性,尤其是基于量子理论建立起来的场论和QED、QCD理论,其理论精度已经非常之高。广义相对论在上文中已经说过,经过了实验的检验,甚至至今为止,还没有实验能证明广义相对论不对。但是广义相对论只能应用于大尺度物理中,比如太阳系,星系,甚至宇宙等。这样成功的两个理论应用在不同的领域,看起来没有问题,但是有一种物质需要这两种理论同时工作,即黑洞。

黑洞是一种星体,其质量塌缩为一点,成为奇点。在这一点处,阴历非常强,空间弯曲的非常厉害,必须动用广义相对论来描述,然而其尺寸又非常小,也必须动用量子力学。于是,两种理论相遇了。要么改造量子力学,要么改造相对论,甚至,将两种理论都进行改造,或者提出新的理论来描述这样一点处的物理。不管采用那种方法,这样改造后的理论就叫做上文提到过的量子引力。所以,对引力量子化,就显得非常必要。

对广义相对论直接进行量子化在计算上是可行的,但是得到的结果却不那么令人满意。弦论的基本单位不再是点粒子,而是一维的弦。由此产生了所谓的大统一理论,却由此产生了额外的6维空间和五种弦理论,后来,在超弦的“第二次革命”中,五种弦理论被统一起来,称作M理论,但代价是再多了一维空间,总共是10维空间,即11维时空。它的数学描述是建立在背景之上的,而很多科学家相信,好的量子引力是不应该有背景时空的,就连弦论专家也承认这一点,所以,弦论还要继续发展。

圈量子引力建立在与背景无关的基础之上,也解决了很多棘手的问题。但带来的问题就是,它超前的观念与当今我们对物理的理解很不一样。它对空间的描述是全新的,而且对时间的解释也是新奇的,即“时间不存在”!

这样新奇的两个理论都在发展之中,而且也有很多自身的问题,最大的问题就是,至今还没有办法从实验上验证理论所做出的预言,所以也无法判断那种理论是对的,或者都不对。希望以后能够看到它们丰硕的成果。

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