本文關鍵詞：引力理論，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　　2016年初的北京，一股霸王級寒潮從西伯利亞奔襲而至，空氣變得有點冷。

　　1月11日，中國科學院院士、中國科學院大學副校長、中國科學院卡弗里理論物理研究所所長吳岳良院士在《物理評論D》上發(fā)表了一篇論文，該論文的主題是關于“引力的量子場論”。

　　這篇文章仿佛是寒夜中的一股暖流溫暖了整個凍僵的學術圈，在學界與新聞界引起一陣狂熱的騷動。不僅僅是因為吳岳良在中國理論物理學界地位特殊，同時因為“引力的量子場論”被學界公認為是一個終極性難題，因為解決了這個問題就可以讓我們知道早期宇宙為何開啟大爆炸之旅。這就是所謂“第一推動”問題，沒有人可以拒絕它的神秘魅力。

　　那么，這篇論文所探討的“引力的量子場論”到底是什么？物理實質(zhì)到底是什么？帶著一系列問題，蝌蚪君獨家專訪了吳岳良。

吳岳良院士(蝌蚪君/攝)

　　20年前：1996年回國后就開始與周光召院士一起做大統(tǒng)一理論

　　吳岳良介紹說，1996年他從國外回國后，就開始做自己認為重要的問題，很少跟風做研究。1997年，吳岳良與他以前的導師周光召先生一起，在《中國科學》雜志上發(fā)表了一篇論文，題目就是《對所有基本力的一種可能的大統(tǒng)一模型 》。這是他們做引力量子理論的最早的想法。

　　蝌蚪君：“當時你們發(fā)的這個文章是包括引力的嗎？”

　　吳岳良：“是的，當時我回國的原因 ，主要是想開始做引力的問題。在這之前，我做了一些輕子、夸克以及CP破壞的工作，回國后我主要是想做引力的量子理論。”

　　蝌蚪君：“我們先說一下您與周光召院士當時的大統(tǒng)一理論，當時關于除引力外 的 三種力的統(tǒng)一理論基本已經(jīng)有了，比如溫伯格、格拉肖與薩拉姆等人的弱電統(tǒng)一理論以及粒子物理的標準模型。”

　　吳岳良：“對 ，但我們要找出電子的質(zhì)量，所有夸克的質(zhì)量以及這些質(zhì)量之間的關系 。”

　　蝌蚪君：“基本粒子的質(zhì)量是自由參數(shù)，是不能用理論進行預言的吧。”

　　吳岳良：“對，但通過我們的超對稱大統(tǒng)一模型，我們輸入大概5個參數(shù)，可以給出10多個基本的關系式，這些關系式可以預言這些粒子的質(zhì)量，有些還與實驗符合的很好。“

　　因為有了20年前的這段研究大統(tǒng)一模型的經(jīng)歷，在吳岳良內(nèi)心深處種植下了一個量子引力的夢。雖然后來到了1998年，因為日本的小柴昌俊等人發(fā)現(xiàn)來自16萬光年之外的超新星中微子以及其他發(fā)現(xiàn)中微子振蕩的事情，把吳岳良的目光也吸引到了中微子物理領域，但關于引力的量子化（也就是大統(tǒng)一理論）的夢想一直藏在吳岳良的內(nèi)心深處。

　　也許20年后吳岳良的工作，可以看成是“不忘初心，方得始終”的結果。

　　改弦易轍：從彎曲時空到平坦時空

　　吳岳良告訴蝌蚪君，當年剛回國時候發(fā)在《中國科學》雜志上的論文是他開始做引力量子化的第一篇論文。但在那篇論文中，吳岳良還是沒有跳出傳統(tǒng)的思維陷阱——那就是愛因斯坦說的“引力是彎曲時空的表現(xiàn)”。所以，當時的那篇文章還是在彎曲時空里做的，因此量子化引力的部分做的不是特別成功。

　　因此，從1996年回國開始算起，在差不多20年之后，到了2016年發(fā)表在《物理評論D》上的這篇文章，吳岳良開始做出重大的技術調(diào)整：不再像愛因斯坦那樣把引力看成是彎曲時空的表現(xiàn)，而是直接在平坦時空引入引力場作為量子場，并提出雙標架四維時空，即整體平坦坐標時空和局域平坦引力場時空。這一技術路線的選擇，使得他開始“超越愛因斯坦提供的技術路線”。

　　蝌蚪君：“從彎曲時空回到平坦時空是一個思想轉(zhuǎn)變，但據(jù)我所知，，所有在平坦時空上的引力量子理論都面臨重整化的困難，您最近的文章如何解決這個問題？”

　　吳岳良：“重整化的問題不一定是發(fā)散問題，有時候有限的物理量也需要重整化。若出現(xiàn)無窮發(fā)散進行重整化時，首先我們要做正規(guī)化，使得無窮發(fā)散積分很好地定義并具有物理意義。這些年我發(fā)展了一套自己的正規(guī)化方案，稱作為圈正規(guī)化方法，這區(qū)別于量子場論中的維數(shù)正規(guī)化等方案。用我的這套正規(guī)化方法，可克服無窮發(fā)散問題，考慮標度不變引力量子場論存在基本質(zhì)量標度，可用來解決引力量子化時的重整化問題。”

　　蝌蚪君：“您選擇平坦時空來量子化引力還有其他原因嗎？”

　　吳岳良：“時空是平坦的，那么能量守恒，動量守恒等這些守恒律都還在，如果時空是彎曲的，那么這些守恒律都不在了。”

　　思想內(nèi)核：用洛侖茲群作為規(guī)范群建立新的引力規(guī)范理論

　　吳岳良認為，20世紀物理學的發(fā)展，以楊振寧為代表的物理學家建立的規(guī)范對稱決定相互作用的思想是主流的物理思想。比如電磁力對應于U(1)對稱，弱力差不多對應于SU(2)對稱，而強力對應于  SU(3)對稱。按照這一套來自規(guī)范場論的思路，吳岳良把引力也對應于一個場空間的對稱性群，這個群同構與洛侖茲群SO(1,3)（蝌蚪君注：洛侖茲群本身體現(xiàn)了狹義相對論的思想精髓），但因為洛侖茲群是時空的對稱性群，所以吳岳良以SP(1,3)來描述這個引力場空間的對稱性群，把整體平坦坐標時空的對稱性與局域平坦引力場時空的對稱性區(qū)分開來成為吳岳良最近這篇論文的思想內(nèi)核。

　　蝌蚪君：“這種SP(1,3)的場空間對稱性有沒有通俗一點的解釋？”

　　吳岳良：“你看描述電子的方程是Dirac方程，這個方程的解有4個分量，是一個4分量旋量。這個4分量旋量就體現(xiàn)了這種SP(1,3)的場空間對稱性。”

　　蝌蚪君：“那您的理論中，引力場也具有這種SP(1,3)的場空間內(nèi)稟對稱性？”

　　吳岳良：“是的。在我的這個理論中，實際上是把Dirac方程中的場進行了推廣，Dirac方程一開始被解釋為電子與正電子，自旋，實際上這體現(xiàn)了場空間的SP(1,3)對稱性。但SP(1,3)對稱性的內(nèi)涵還可以更多，事實上，電磁力、弱力，強力以及引力都是其對稱性群表示空間的矢量。“

　　從云端回到地面：可以回到愛因斯坦的引力場方程

　　吳岳良用規(guī)范場論的方法構造了傳統(tǒng)的引力理論，并且對之進行了量子化，這個結果可以處理黑洞問題，也可以解釋宇宙的起源。但這一過程的數(shù)學操作相當復雜，在對整個理論進行對稱的局部化的時候，會引出一些新的場；在對稱破缺的時候，又會產(chǎn)生一些新的場；在做規(guī)范固定的時候，又會引起新的場——據(jù)吳岳良院士介紹，這個場正是大家夢寐以求的引力場，而且這里面還體現(xiàn)了引力場的基本性質(zhì)（在坐標系變換之下的廣義協(xié)變性，只不過這個性質(zhì)在吳岳良的理論中是被隱藏起來的，是一種隱藏的對稱性）。

　　蝌蚪君：“您的論文中提到您可以得到愛因斯坦的場方程，這就好像坐飛機可以從云端回到地面，請問您這個場方程與愛因斯坦原來的那個引力場方程的形式是一模一樣的嗎？您的理論是如何回到愛因斯坦引力方程？”

　　吳岳良：“當然可以回到愛因斯坦引力方程，但我的理論中也考慮了引力場本身的能量動量張量。在低能近似下，我把引力場的能量動量張量與物質(zhì)場的能量動量張量加起來，得到的總的結果等于零——你可以把物質(zhì)場的這一項移項到方程的右邊，就可以看出這其實就是愛因斯坦的引力場方程。因此，我可以說，愛因斯坦引力方程是我的理論的一個低能近似，當然在高能情況下我的理論比愛因斯坦引力方程多出很多東西，比如自旋與自旋的相互作用等。”

　　應用到黑洞：霍金等人一直在爭論的黑洞信息問題本身就是一個偽命題

　　蝌蚪君：“您是在平坦時空上來做引力，必然會遇見一個問題，那就是黑洞附近的物理過程怎么處理？我們都知道黑洞附近的時空是彎曲的。”

　　吳岳良：“對于黑洞這個問題，我與蔡榮根研究員討論過很多次，我說你們搞相對論的到底怎么看這個黑洞，你們搞相對論的黑洞解，是一個數(shù)學上的解，并沒有考慮真實的物質(zhì)場之間的相互作用以及這些物質(zhì)怎么引起黑洞的形成。”

　　吳岳良對黑洞的一些基本問題有自己獨到的看法。他認為傳統(tǒng)的史瓦西黑洞、克爾黑洞等等都只是真空愛因斯坦場方程的一個精確解。因為是真空解，所以其實并沒有考慮真實物質(zhì)存在情況下的物理。

　　吳岳良：“目前所得到的黑洞解是引力場本身引起的一個時空的效應，跟你的物質(zhì)沒有關系。”

　　蝌蚪君：“物質(zhì)都進去了，都在黑洞里面了……物質(zhì)的信息進了黑洞都丟了，這就是現(xiàn)在霍金他們爭論的黑洞信息的一些佯謬。

　　吳岳良：“我不是這么看這個問題的。我們可以類比強作用中的膠子，膠子本身有相互作用，所以可以形成膠球。引力子自身之間也存在類似的自己跟自己的非線性相互作用，所以要我說，黑洞就是一個純引力的'引力球'一類的東西。根本就沒有考慮其他物質(zhì)場與引力的耦合，也沒有考慮物質(zhì)與物質(zhì)之間的相互作用。”

　　蝌蚪君：“您這個是更物理的說法，但我們一般認為就是物質(zhì)存在過，但后來都被黑洞吸走了，信息都丟了。”

　　吳岳良：“你們這是自己給自己提一個問題。你們自己說信息丟了，然后再去找信息，我跟你說，你們這個黑洞本來就是一個真空解，本來就沒有物質(zhì)，你現(xiàn)在又要去找物質(zhì)的信息干嗎呢？”

　　吳岳良認為，霍金等人一直在爭論的黑洞信息問題本身就是一個偽命題。

　　應用到宇宙學：標度不變性引入的標度場控制了宇宙的暴漲

　　在任何一個完善的量子引力理論中，除了要解釋黑洞的問題，還需要解釋宇宙學的問題。對于宇宙學方面，吳岳良也有自己的看法。

　　在吳岳良構造的描述整個宇宙演化的拉氏量中，可以看到很多項，這里每一項都表示一個場，這些場在一起控制了整個量子宇宙的演化。其中有一個保證理論標度不變而引入的標度場起到了十分重要的作用。

　　蝌蚪君：“我們知道，量子宇宙學在時間上大約開始于宇宙大爆炸10的-43次方秒的時候，然后在10的-35次方秒的時候發(fā)生了強相互作用相變，到了10的-30次方秒的時候發(fā)生了暴漲，到10的-10次方秒的時候發(fā)生了弱電相變。那么在您的理論中，這些時間尺度是怎么出現(xiàn)的呢？”

　　吳岳良：“在我的理論中有一個標度不變所要求的標度場，使得理論是無量綱的，可以把這個標度場在普朗克尺度取一個數(shù)值，然后在目前的宇宙尺度上取一個數(shù)值，就可以把這個標度場定下來，也就可以定出你說的那些時間刻度了。但一開始，我的理論是沒有這些特征時間標度的，而是通過對稱破缺引發(fā)的。”

　　因此吳岳良的理論可以很好地解釋宇宙的起源。

訪談結束后吳岳良院士與筆者合影

　　前沿科學論壇講演：超越愛因斯坦

　　在接受完蝌蚪君獨家專訪的當天下午，吳岳良在中科院理論物理所舉行的前沿科學論壇做了演講。演講由中國物理學會引力與相對論天體物理分會理事長蔡榮根研究員主持。戴元本、朱重元、蘇肇冰、黃超光、朱建陽、凌意、吳俊寶等研究員（教授）也聆聽了吳院士的精彩報告。參加報告會的教授、博士后與博士研究生濟濟一堂，人數(shù)大概有200余人。毫無疑問，廣義相對論與量子論的統(tǒng)一至今仍是理論物理界的研究熱點。

　　吳岳良在講演中表示，他的研究工作確實有超越愛因斯坦引力理論的部分。

　　吳岳良也對蝌蚪君表示，在這二十年磨一劍的研究過程中，他的工作目標是在中國的理論物理學界倡導一種“提出新思想”的氛圍，形成“百家爭鳴”的局面。量子引力理論本身是一個極端困難的問題，蝌蚪君相信，吳岳良院士給出了新的引力量子化的路線圖，以此為基礎，也許能給這個高深領域的研究帶來新的靈感。

　　本篇采寫   蝌蚪五線譜   張軒中

　�。ǜ兄x中國科學院大學吳寶俊老師的采訪協(xié)助）

-------蝌蚪君友情提醒，對吳岳良院士的“引力量子場論”感興趣的讀者可以戳這里下載arxiv上的pdf版本的論文----------

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