吴岳良院士：量子力学与广义相对论统一理论的新突破
吴岳良院士：量子力学与广义相对论统一理论的新突破
量子力学与广义相对论的统一是现代物理学中最具挑战性的问题之一。中国科学院院士吴岳良在最新研究中提出了一种创新的引力量子场论框架，为解决这一难题提供了新的思路。
吴岳良，理论物理学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，国际欧亚科学院院士。现任中国科学院大学学术副校长、联合国教科文组织国际理论物理中心（亚太地区）主任、中国科学院理论物理研究所学术委员会主任。空间引力波探测“太极计划”首席科学家。
1982年南京大学获学士学位，1987年中国科学院理论物理研究所获博士学位。1987-1996在德国和美国从事粒子物理和量子场论研究。1996年受聘中科院理论物理研究所。曾任中科院理论物理研究所所长、中科院卡弗里理论物理研究所所长、中科院理论物理前沿重点实验室和理论物理国家重点实验室主任、中国科学院大学常务副校长。
在基本粒子物理与量子场论及对称原理与量子-宇宙物理等领域做出一系列独创性工作，主要包括：提出和建立引力量子场论、创建超统一场论、发展量子场论圈正规化和重整化方法、系统研究量子色动力学（QCD）低能动力学手征对称破缺机制和全息QCD模型及规范场的整体拓扑性质等、在正反粒子-宇称反演（CP）对称性破坏和夸克-轻子味物理方面的研究工作获国家自然科学二等奖。曾获基金委杰出青年基金支持，担任科技部973项目“暗物质暗能量的理论研究和实验预研”首席科学家和基金委创新群体项目“物质深层次结构和早期宇宙演化”学术带头人。
报告摘要
麦克斯韦建立的经典电磁场理论成功地统一了电场和磁场，被视为第一个经典场论统一的例子。狭义相对论把空间和时间统一成相互关联的四维闵可夫斯基时空，爱因斯坦基于广义协变原理将狭义相对论扩展为广义相对论用以描述引力相互作用。狄拉克将量子力学与狭义相对论成功结合创建相对论量子力学，使得经典电磁场理论发展成量子电动力学，并建立起基于整体平坦闵氏时空的量子场论。量子场论对电磁相互作用的描述与广义相对论基于黎曼几何弯曲时空动力学对引力的描述形成鲜明对比，两者可谓是截然不同。正是这样一种形式上的相互对立和矛盾，导致量子力学与广义相对论的结合一直存在着不可逾越的障碍。
本报告将重点介绍如何打破爱因斯坦纯粹的时空和几何观念，使得刻画引力的广义相对论与描述电磁力的量子力学在量子场论框架下自洽地结合起来，建立和发展引力量子场论。引力量子场论的出发点基于如下的观察事实：作为自然界物质基本组元的所有带电轻子（如电子）和夸克不仅拥有通常的电荷规范对称性U(1)用以支配电磁相互作用，而且展现出非齐次自旋规范对称性WS(1,3)= SP(1,3)⋊ W1,3。正是这样一种物质基本组元的内禀庞加莱型规范对称性，揭示了引力和时空的本质。其中引力和自旋力分别由手征平移型规范对称性W1,3和自旋规范对称性SP(1,3)支配，并由相应的规范场刻画。时空本质则呈现为以整体平坦闵可夫斯基时空为基时空，以局域平坦引力规范时空为纤维的双标架时空，其中局域平坦引力规范时空由引力规范场通过其涌现的非对易几何所刻画。双标架时空下的引力量子场论呈现出联合对称性 SJ = PO(1,3)⋈ WS(1,3)xU(1),这里PO(1,3)= P1,3 ⋉ SO(1,3)表示闵氏坐标时空中的整体庞加莱对称性。系统分析引力量子场论框架中的引力动力学、自旋动力学和电动力学，以及双标架时空下的广义狄拉克方程、广义麦克斯韦方程、广义爱因斯坦方程和自旋规范场方程，并讨论超越爱因斯坦广义相对论的引力动力学所产生的新效应。结果显示，引力量子场论自动涌现出隐型广义线性群对称性G(1,3,R),使得所有基本场的动力学具有在黎曼弯曲时空中的广义坐标协变性和在局域平坦引力规范时空中的自旋规范协变性。同时详细证明引力-几何介质电动力学和引力度规-规范介导电动力学中的广义麦克斯韦方程在任何运动参考系中都成立，以及引力-规范介导电动力学中的广义麦克斯韦方程在任何自旋参考系中都成立。作为特例，显式地展示均匀背景介质中的广义麦克斯韦方程在其运动参考系中的广义坐标协变性和在自旋参考系中的自旋规范协变性。研究表明，引力量子场论为超统一场论的建立和发展提供了自洽的理论框架。
(详细进展可见：https://doi.org/10.1007/s11433-022-2052-6， SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 66, 6: 260411 (2023) )