类比引力有关问题研究进展

尽管引力是人类最先认识的自然界基本相互作用力,但人们对引力本质的认识还相当不够.至今我们仍然没有一个完全自洽的量子引力理论.近年来研究表明,类比引力为我们深入理解引力的性质提供了一个新的窗口.类比引力的研究一方面为Hawking辐射等弯曲时空量子效应的理论研究和实验验证提供了平台,另一方面也加深了人们对类比系统本身的认识.本文简要介绍类比引力的基本思想以及近年来理论和实验方面的进展,并对未来的研究进行展望.     

关于电磁场与引力规范理论

张元仲、郭汉英曾经为讨论引力规范理论与GR三大验证的问题,在作了一个假定——引力规范理论中的电磁场仍为U(1)规范场后,讨论过引力规范理论中的电磁场问题。但他们并未涉及到这时引力场本身的结构问题,本文作这方面的讨论。我们导出存在电磁场时的引力规范理论场方程,证明当空间中有非零电磁场时,则不存在无限远处化为平直度规的球对称静止无挠解。这与GR的情况是不一样的,包含了新的内容。     

双星系统掀起对相对论的挑战

众所周知,爱因斯坦广义相对论视引力为空-时畸变的结果.它成功地解释了水星近日点的进动问题.观测表明,水星绕太阳公转轨道的近日点每世纪进动575弧秒.其他行星的引力作用对水星近日点进动的影响,所谓拱线转动.可用牛顿引力定律计算出来,该“经典效应”为每世纪进动532弧秒,而爱因斯坦的“相对论性贡献”正好弥补了牛顿理论与观测值的差额,43弧秒.在太阳系诸行星中,相对论性效应对水星为最强,这是由于它的公转轨道正好处于太阳系中空-时弯曲最强的区域.对于由引力吸引     

引力的本质

回顾了关于引力本质的历史探索和最新进展.从牛顿引力和爱因斯坦引力出发,介绍了关于引力本质历史探索上的两次重大飞跃.从修改引力、量子引力和全息引力三个方面,介绍了关于引力本质的最新进展.对于牛顿引力,从开普勒行星运动定律出发,介绍了牛顿万有引力定律.介绍了最近关于修改牛顿力学和暗物质的进展;对于爱因斯坦引力,阐释了引力的几何化,然后介绍了爱因斯坦引力在宇宙学和引力波方面的应用;对于修改引力,从额外的引力自由度、高阶导数引力和高维引力三个方面介绍;对于量子引力,从协变量子引力、正则量子引力和其他量子引力三个方面介绍;对于全息引力,介绍了它的全息图像、呈展性质以及它与量子信息之间的关系.但是截至目前,关于引力本质问题的答案依然是一个谜.     

耦合SU(2)Einstein-Yang-Mills-Higgs系统本质非Abell黑洞的存在性

当考虑引力与一个Abell规范场(电磁场)耦合时,唯一性定理告诉我们,具有质量、角动量和电荷(磁荷)的Kerr-Newman度规是Einstein-Maxwell方程的最一般的渐近平直黑洞解,当把情形推广到引力与非Abell规范场耦合时,人们发现非Abell规范场不为零的能动张量会引起时空弯曲,并导致很多新的结果.而最令人感兴趣的是由此得到的黑洞解是否携带有本质非Abell荷.为了研究这个问题,必须研究引力与Yang-Mills场和Yang-Mills-Higgs场的耦合.     

走近诺贝尔奖(十九)捕捉时空涟漪

正我们都知道,地球围绕太阳公转,这是因为太阳对地球有引力作用。然而,地球距离太阳约1.5亿千米,那么,太阳是如何把引力传递给地球的呢?宇宙中的任何物体,大到天体、小至尘埃,相互之间都存在引力。然而,物体之间的引力是如何传播的?爱因斯坦认为,引力像水波一样不断向外扩散,这就是引力波。在爱因斯坦提出引力波概念将近100年的时     

引力实验的超弦轴子分析

近5年来,地球物理所测量的引力常数值均大于实验室值.由此而导出了应对牛顿引力作修正的结论,引入的非牛顿耦合修正项为V(r)=-G_∞(m_1m_2/r)(1+ae~(-r/λ)), (1)其中G_∞是r→∞时的牛顿引力常数,λ=200±50m.新近对爱阜实验进行了重新分析,其     

利用近距离牛顿反平方定律实验探索洛伦兹不变性破缺效应

回顾了利用近距离引力实验探索洛伦兹不变性破缺效应的现状,并展望了其发展趋势.引力与物质的耦合极其微弱,近距离下牛顿反平方定律的实验检验是探索引力现象对广义相对论偏离的常用方法之一,其实验检验的基本原理是通过测量密度较大的2块薄金属片之间的引力相互作用随间距的变化,判断其是否满足牛顿反平方定律.在探索洛伦兹不变性破缺方面,通过测量2块薄金属片之间的非牛顿力的恒星时变化,可以检验标准模型拓展(SME)中包含黎曼曲率2次耦合的洛伦兹对称性破缺参数.分析表明近距离引力实验中,由于洛伦兹不变性破缺,2块有限平板间的非牛顿引力由边缘效应主导,尽管如此,现有的近距离引力实验对洛伦兹不变性破缺系数的限制仍能达到10?8 m2的水平.     

由固体潮发现引力以光速传播的观测证据

由于太阳的真位置无法直接观测, 在实际使用的地球重力固体潮公式中用视位置近似代替真位置. 研究发现, 这种近似相当于隐含了一个假定, 即引力是以光速传播的. 本文从狮泉河站和乌什站的重力固体潮观测数据出发, 作了地球黏弹性相位滞后校正; 用减除月球引力潮理论值的办法从重力固体潮观测数据中提取出准太阳引力潮的观测数据; 推导出并求解了引力传播方程, 得出引力传播速度约为0.93~1.05倍的光速, 相对误差为5%. 这是第一个强有力的观测证据, 证明了引力传播的速度与光速相同.     

圈量子引力的动力学

作为量子引力论的一种重要的候选理论,圈量子引力已取得了长足的进展.当今圈量子引力研究的一个核心而艰巨的课题是如何建立合理的量子动力学,具体到圈量子引力的正则形式中,动力学问题集中体现为合理构造密顿约束算符以及求解相应的约束方程.本文介绍了圈量子引力的基本思想以及圈量子引力中量子动力学研究的最新进展.新进展侧重于哈密顿约束算符的构造及其所定义的希尔伯特空间.     

非线性标量场为物质场的宇宙模型

宇宙的奇性问题始终是研究Einstein方程解的一个很重要的问题.根据Einstein场方程,在一个充满玻思-英费尔德非线性标量场为物质场的宇宙中,我们发现当非线性标量场的参量λ>0时,有一个有奇性的宇宙模型解;当参量λ<0时,有一个非奇性的宇宙模型解.引力系统的作用量取为     

反引力——一个狂妄的想法?

引力(或曰万有引力)是自然界中普遍存在的一种力,人类得以站在旋转的地球上从事各项活动,而不至于堕入茫茫太空,正是凭借着引力的作用.在古代神话和现代科学幻想小说中常常有抵消引力的描述.然而,在当代最有效的引力理论——爱因斯坦的广义相对论中几乎没有容许反引力存在的余地.不过,许多物理学家相信,广义相对论的引力理论尽管取得了成功,但     

引力拉氏量和局部de Sitter不变性

最近,我们提出了引力规范理论的一种可能的方案。与广义相对论以及引力规范理论的其他方案相比,这个方案的特点是,从局部Lorentz不变性和引力决定时空的几何性质的前提出发,在引力拉氏量中加进了通常规范场拉氏量的动能项,得到描述引力场的一组新的方程——Einstein-杨振宁方程。但是,我们知道,4-维正常双曲Riemann     

量子纠缠与时空结构

众所周知，自然界中存在着四种基本相互作用，分别为强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用与引力相互作用。然而，前三者可以在量子力学的框架下自洽，只有特殊的引力相互作用尚未与其他相互作用统一。因此，追求引力的量子化是现代物理学最迫切和首要的目标。物理学家们发现，可以利用量子场论的方法来研究引力理论。在这过程中，我们发现量子纠缠、几何以及时空定域性之间的关系，这似乎暗示了通往量子引力的研究方向。通过量子纠缠，我们希望进一步探索量子引力领域，为引力的量子化找到一个突破口，从而发现时空的本质。文章简要回顾量子纠缠熵的历史发展，并讨论纠缠熵与几何之间的关系。     

几种主要的宇宙学模型

尽管研究宇宙整体的结构、运动和演化是自古以来人类最关心的课题之一,但是直到正确的引力理论建立以前,获得科学的宇宙理论是不可能的.牛顿的引力理论在研究一般天体运行的问题上是强有力的,并且与观察符合得相当好.但在考虑宇宙学问题时却出现了许多不可克服的困难.爱因斯坦的广义相对论是更完善的引力理论,1917年他的著名论文《用广义相对论对整个宇宙的考察》通常被认为是近代宇宙学在理论上的先声.在该文中他第一次提出了有限无边的宇宙模型,向传统的时空观提出了挑战.在广义相对论的影响下,许多其他的引力理论纷纷被提出,并出现了各式各样的宇宙模型。1929年,哈勃(Hubble)发现了星系的视星等与     

引力的本质是什么?

自然界存在4种基本相互作用力,其中电磁、强、弱相互作用能够成功地进行量子力学描述,但是由广义相对论描述的引力却和量子理论不协调.本文从量子力学和广义相对论出发,讨论了对引力进行量子描述时出现的矛盾,同时介绍当今比较有希望解决这个矛盾的超弦理论对这个问题的解释,最后对引力基本性质的实验检验情况作简单介绍.     

关于Reissner-Nordstrm黑洞与Bose子束缚态问题

在文献[1]中,我们在引力中心质量M大于其电荷Q的条件下,讨论了Reissner-Nordrstrm度规中的Klein-Gordon方程。我们利用量子场论中标准的正则化方法,将方程化为哈密顿形式。然后利用泛函分析中算子谱的分析方法,对哈密顿量进行谱分析。结果表明,Reissner-Nordstrm黑洞与玻色子不能构成量子引力束缚态。     

一种共形引力理论

近来,由于量子引力和超引力的进展,有关共形引力的研究引起了进一步的重视。 我们知道,通常总是把共形引力归结成为Weyl引力,在一些关于共形超引力的研究中也是这样处理的。当然,Weyl引力的确具有一些迷人之处,但是,同时也存在着一些原则上的困难。首先,Weyl引力的拉氏量不能自动包含Einstein项——标量曲率R,这就至少对     

额外维存在性的理论探讨

是否存在超出我们生活的4维时空的额外维度是一个有趣而重要的问题.本文从理论角度探讨这一问题,先讨论了早期引力与电磁相互作用统一的5维卡鲁扎-克莱茵(Kaluza-Klein,KK)-理论,然后介绍了超对称和超引力与额外维的关联,最后介绍了弦理论和M-理论,并解释为何超弦理论本身的完善要求存在一个时空维度最大可以是11维的M-理论.至少从经典层面上,额外维对超对称和超引力来说仅仅是一种选择,不是必须的.目前,除4维N=8超引力理论有可能是一个自洽的量子引力理论,其他4维和高维的超引力理论紫外都有问题,需要考虑新的物理自由度,对应的紫外完善理论很可能就是弦/M-理论.弦理论对额外维的要求有所不同,其微扰量子自洽性要求额外维必须存在.例如,对超弦理论,时空必须是10维的.如果弦/M-理论的确是描述物质和相互作用的基本理论,那额外维就一定存在,同时需要对额外的空间维度作紧致化,且其尺度必须小于目前的实验限制.本文也讨论了一些相关唯象大额外维理论.     

3维O(N)超引力理论中超对称动力学自发破缺

超对称局域化后,由于物质多重态与纯引力多重态相互耦合,超对称易于产生自发破缺.我们曾研究了2维和3维整体和定域超对称理论,发现超对称破缺与模型的维数有密切关系.本文构造一个3维 O(N)超引力理论,并利用大 N 展开方法,研究了动力学自发破缺机制.