〖李学生数理教学研究专栏〗 现代物理学基础的思考 7.9引力场性质的分析 李学生 (lixueshenglxs@21cn.com) 上传：2009.08.14 访问339 支持0
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九、 引力场性质的分析
现代基本粒子理论中质量量纲为space-time量纲的倒数也说明了引力场的space-time本质的观点是正确的。由于引力场的传播速度为光速(后面分析引力的传播速度等于光速的原因)，也就是引力的传播速度为光速，大小、方向、作用点、速度是力的四要素。北京大学物理学院基本粒子理论专家曹昌棋教授认为，从现在的基本粒子理论的角度看，对称性的主要破坏是一种“自发破坏”或者说是一种表观上的破坏，即所有基本粒子原始都无静止质量，对称的自发破缺使某些基本粒子具有了静止质量，它们之间的相互作用有拉格朗日量描述，该量具有完全的对称性，但相互作用的结果得出的总体的基态是简并的，其中有某中场的凝聚。实际的“宇宙”的基态是这些简并基态中某一个，而所有的激发态都是在此“特定基态”上的局部扰动，从而原来拉格朗日函数的对称性就不显示出来了/我们所观察的物理过程都是发生在某个特定背景上的，使原有的对称性不能显示出来。有些粒子的质量是由于它与空间凝聚场作用的结果。这些都说明了引力场的space-time本质，引力场是相对space-time。19世纪、20世纪物理学最成功的发现是相对space-time（场）的发现，正如Einstein所讲的：“Faraday和Maxwell的electric field理论摆脱了这种不能令人满意的状况，这大概是从Newton时代以来物理学的基础所经历的最深刻的变化。”Einstein常常把相对论称为场论，也说明了这一点。在经典物理学中对于一个物体的动能的测量值不同的观察者测量的结果可以是不同的，那么能量为何有差异？笔者认为主要是时空参与了能量交换，引力场对于一切有质量的物质都会产生吸引作用，可以说引力场的符号为负，与物质的质量符号相反，引力场即是负能量物质，它的空间为负。在较强的引力场中时间会发生膨胀，引力增强，时间也增多延长【1】。
现代物理学认为，时间——空间结构在Planck长度的极小尺度下会有基本改变，也表明了引力场的space-time本质。由于引力场的本质是space-time，因此能量是物质与space-time的相互作用。从引力场角度与space-time角度研究引力质量间的作用力得到的结论一致，万有引力定律是广义相对论的一级近似。由于场的本质是相对space-time，因此倘若考虑到相对space-time的分离速度为光速，物理学中超距作用从space-time角度考虑作用力与从场的观点得到的结论一致。引力场是space-time弯曲的表现形式，因为：其一，存在等效原理。即惯性质量与引力质量相等，质点的运动轨迹只与初始条件有关而与引力质量毫无关系，在弯曲space-time中自由质点的运动轨迹是测地线，其测地线也只与初始条件有关而与引力质量毫无关系。而质点在其它任何形式的力场中运动均没有这种效应。其二，若把相对某天体静止的参考系看成是惯性系，在其引力场中的局域space-time内，总可以找到相对该天体运动的非惯性系，用惯性力抵消引力，则其非惯性系成为局部惯性系。在弯曲space-time中，任何一个space-time点的足够小的邻域，均可认为近似存在统一的空间，它是平直的。相应space-time流形上的坐标近似可看成局域平直空间的曲线坐标，从而等价于某个局域非惯性系。其惯性力“相当”于引力，自然存在某一类坐标 transformation， 相当于局部惯性系的 transformation，使局域曲线坐标变成闵氏空间的仿射坐标，其局域仿射坐标所对应的参考系即是局部惯性系，在这个参考系中其引力效应全部消失。【2】
现代物理学认为引力场不等价于弯曲space-time，原因在于把引力场建立在平直的Minkowski空间且独立于其空间的物理场，它们的存在对space-time结构没有任何影响，或影响全可忽略。而弯曲space-time是space-time结构的自身改变，本质上异于平直的Minkowski空间上的物理场。其次，引力场中的局部惯性系能抹掉引力的一切效应，而在弯曲space-time中的局部惯性系并不能严格作到这一点。如在引力场中的局部惯性系里，检验其惯性系的自由质点的速度，原则上没有任何限制，而在弯曲space-time的局部惯性系里，检验其惯性系的自由质点的速度，要远远小于光速。其实引力场的存在将改变space-time中各点的相对位置，不可能独立于其空间，平直的Minkowski空间是绝对space-time，引力场与弯曲space-time本质上是统一的。根据Lorentz transformation在引力场中运动的质点其引力质量随着速度的增加而增加，达到光速是为无穷大，因此在引力场中的局部惯性系里，检验其惯性系的自由质点的速度，也不可能超过光速。引力场的深入的研究必须把Euclid几何（抛物几何）与罗氏几何（双曲几何）、Riemann几何（椭圆几何）统一用射影几何研究。两质粒间的场效应（感应）传播所需时间仅与起传点至到达点的空间距离有关（与传播过程中质粒间因相对运动发生距离变化并不矛盾），而与质粒间相对运动速度无关，且在真空中的传播速度为常数（、分别为真空介电常数和真空磁导率），数值上等于光速。场效应的传播速度独立特性充分证明了空间的客观性、均匀性。
根据能量是物质与space-time的相互作用与space-time平权理论，可以进一步将质量守恒定律与space-time守恒定律统一为law of conservation of energy，进而把law of conservation of energy与动量守恒定律结合在一起。根据这一观点可知广义相对论的正确，例如不是物质存在于空间、时间中，而是物质具有空间时间的广延性，当一个物体消失时，它所激发的相对space-time消失，但是绝对space-time依然存在。因此真空是绝对space-time，Newton的绝对space-time观有其正确性的一面，但是Einstein认为场论未能成功地提供整个物理学的基础。
自然界中存在四种基本相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。目前已经建立了统一描述电磁、强和弱相互作用的大统一理论，而引力仍徘徊在统一理论之外。为建立一个统一描述自然的基本理论，人们必须对引力本质有深刻的理解。始于上世纪七十年代黑洞物理的研究，人们发现引力不同于其它三种相互作用的基本原因是引力具有一种所谓的全息性质：一个引力体系的自由度由该体系的表面面积决定。这一概念由诺贝尔物理奖获得者t Hooft 在1993年提出。多年来引力的基本性质一直是国际上理论物理的研究热点之一。蔡荣根，王斌，张元仲及其合作者自上世纪九十年代初就开始在引力的基本性质及其在黑洞物理和宇宙学等领域中的应用开展合作研究，取得了一系列研究成果，共发表论文300余篇，其中发表在影响因子4以上的国际一流学术杂志如Phys. Rev. Lett., Nucl. Phys. B, Phys. Lett. B, Phys. Rev. D, JHEP 和JCAP 等有200余篇，相关工作被国际同行他引5000余次，SCI他引3344次，其中8篇代表性论文被SCI他引495次，并多次被邀请在相关国际学术会议上作大会邀请报告。
本项目主要成果如下：(1) 在反德西特和德西特时空中的黑洞物理研究方面，发现了爱因斯坦场方程的Gauss-Bonnet拓扑黑洞解，该论文成为国际上关于Gauss-Bonnet 黑洞的三篇重要的经典文章之一，并成为许多后续研究的出发点；提出了拓扑德西特时空解，证实了一个关于德西特时空质量上限的重要猜测，为理解德西特时空的经典和量子性质奠定了基础，对此解的命名也被国际同行广泛采纳；建立了(反)德西特时空中视界热力学熵和共形场论的Cardy-Verlinde 公式的联系；研究了带荷反德西特黑洞的准正则模，证明了小反德西特黑洞准正则模振荡频率并不随温度变化，澄清了文献中的争论；首次在反德西特时空中引入可调曲率耦合常数，揭示了在不同拓扑背景中具有曲率耦合标量场的波动行为。这些研究深刻揭示了引力的全息性质。（2）建立了热力学第一定律和爱因斯坦场方程的联系。从热力学第一定律出发首次完整地推导出了描述宇宙时空动力学的Friedmann方程，建立了表观视界熵与其几何的关系，给出了膜世界视界熵和表观视界几何的联系。这一研究为理解引力的基本性质提供了新思路。(3) 将引力全息性质应用于动力学时空，发现全息性质能对宇宙学暴胀模型和暗能量模型给出许多富有物理意义的结果。在真实的非均匀宇宙模型中，最先研究利用全息性质和熵限可以挑选符合物理的宇宙模型。这些表明宇宙学研究对理解引力的本质起到重要的作用。上述成果对引力基本性质的研究做出了实质性贡献，引发了国际同行的许多后续研究，推动了该领域的发展。
参考文献:
【1】泡利，相对论，上海科学技术出版社（1979）， 205
【2】Einstein 著方在庆 韩文博 何维国 译.《Einstein晚年文集》 海南出版社 2000年3月第1版
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