相对论与量子论的统一( 二 ) 一、牛顿和爱因斯坦引力是一

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【相对论与量子论的统一】广义相对论和量子论在各自领域内都取得了巨大的成功，然而却无法将两个理论统一在一起。将两者统一在一起需要建立量子的广义相对论，而传统的量子广义相对论是不自恰的。究其原因，就在于这两个伟大的理论，从一开始就有原则性的分歧。量子论认为，一切物质和场都是离散的，都是由量子构成，因而引力场也应当是离散的，也是由量子构成。而广义相对论则把引力场看成是弯曲时空的效应，时空则是一个连续的东西，不能是离散的。从广义相对论出发建立量子的广义相对论，必然要把时空离散化、量子化，必将遇到一些原则性、无法克服的困难。把量子论和广义相对论自洽地统一在一起，是整个科学界的一个长期以来追寻的梦，这个梦直接推动了二十世纪物理学的纵深发展。有人把它看成是量子论的最后一个挑战，而有人则把它看成是“量子革命”需要克服的最后一道障碍。它是二十世纪后半期物理学研究的核心问题之一。经过七十多年的努力，物理学家建立起了多种不同版本的量子引力理论，其中自洽性最好、可微扰重整的量子引力理论则是2001年由理论物理学家吴宁提出的量子引力规范理论，并在2002年受到美国物理学会的邀请，参加美国物理学年会并报告相关研究成果。
三、规范理论

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建立量子引力理论的一个途径是量子化广义相对论，此时理论的出发点是广义相对论；另一条途径是追寻相互作用力的统一。相互作用力统一的思想最早由爱因斯坦提出。但是相互作用力的真正成功的统一却是在量子场论中完成的。量子场论是二十世纪理论物理学最辉煌、最灿烂、最伟大的成就之一，它是我们描述基本粒子相互作用的一个强有力的理论，也是完成相互作用力统一的理论框架。我们知道，自然界有四种基本的相互作用，即强相互作用，电磁相互作用，弱相互作用和引力相互作用。按照广义相对论，引力的本质是时空的几何，因而和其它三中相互作用有本质的不同。然而按照大统一的思想，所有的基本相互作用最终都应该有相同的本质与起源。由量子场论，强相互作用，电磁相互作用和弱相互作用都是规范相互作用，规范是它们的共同本质，描述它们的正确理论都是规范场理论。规范场理论在描述强相互作用，电磁相互作用和弱相互作用方面取得了巨大的成功，理论和实验甚至在十几位有效数字的精度上一致。如果我们坚信大统一的思想，那么规范场理论的巨大成功启示我们，引力的本质也是规范，这样建立量子规范引力理论则是大统一思想给我们的直接启示。
规范的本质就是建立守恒量、对称性和相互作用之间的本质的、必然的联系。掌握了这种必然的联系，我们就掌握的相互作用的关键，这个关键就是通过守恒量和对称性来确定新的相互作的规律。这样，建立量子规范引力理论的关键就是确定与引力相互作用有关的对称性和守恒量。按照规范理论，相互作用的源就是相应的相互作用的对称性的守恒荷。我们知道，引力的源是能量动量，而能量动量则是时空平移变换的守恒荷，因此，引力的对称性是时空平移对称性，相应的守恒荷是能量动量。在此基础上就可以建立一个自恰的量子引力规范理论，它是平直的四维时空中建立的第一个可微扰重整的量子引力理论。