【內容提要】本文從量子引力概念的分析入手，介紹了當代量子引力研究的進展，評析了其取得的主要成就，并對之作了簡略的哲學反思。 【關鍵詞】超弦/M理論/圈量子引力/哲學反思

【正文】 本文分四部分。首先明確什么是量子引力？其次給出當代量子引力發展簡史，更次概述當代量子引力研究主要成果，最后探討量子引力的一些哲學反思。 一、什么是量子引力？ 當代基礎物理學中最大的挑戰性課題，就是把廣義相對論與量子力學協調起來[1]。這個問題的研究，將會引起我們關于空間、時間、相互作用（運動）和物質結構諸觀念的深刻變革，從而實現20世紀基礎物理學所提出的空間時間觀念的量子革命。 廣義相對論是經典的相對論性引力場理論，量子力學是量子物理學的核心。凡是研究廣義相對論和量子力學相互結合的理論，就稱為量子引力理論，簡稱量子引力。探討量子引力卓有成效的理論，主要有兩種形式。第一，是把廣義相對論進行量子化，正則量子引力屬于此種。第二，是對一個不同于廣義相對論的經典理論進行量子化，而廣義相對論則作為它的低能極限，超弦／M理論則屬于這種。 圈(Loop)量子引力[2]是當前正則量子引力的流行形式。正則量子引力是只有引力作用時的量子引力，和超弦／M理論相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是應用標準量子化手續于廣義相對論，而廣義相對論則寫成正則的即Hamiltonian形式。正則量子引力根據歷史發展大體上可分為樸素量子引力和圈量子引力。粗略來說，前者發生于1986年前，后者發生于1986年后。樸素量子引力由于存在著紫外發散的重正化困難，從而圈量子引力發展成為當前正則量子引力的代表。 超弦／M理論的目的，在于提供己知四種作用即引力和強、弱、電作用統一的量子理論。理論的基本實體不是點粒子，而是1維弦、2維簡單膜和多維brane（廣義膜）的延展性物質客體。超弦是具有超對稱性的弦，它不意味著表示單個粒子或單種作用，而是通過弦的不同振動模式表示整個粒子譜系列。 圈量子引力和超弦／M理論之外，當代量子引力還有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓撲場論、扭量理論、非對易幾何等。 二、當代量子引力研究進展 我們主要給出超弦／M理論和圈量子引力研究的重大進展。 1.超弦／M理論方面[3] 弦理論簡稱弦論，雖然在20紀70年代中期，已經知道其中自動包含引力現象，但因存在一些困難，只是到80年代中期才取得突破性進展。 1)80年代超弦理論 弦論發展可粗略分為早期弦理論（70年代）、超弦理論（80年代）和M理論（90年代）三個時期。我們從80年代超弦理論開始，簡述其研究進展。 1981年，M·Green和J.Schwarz提出一種嶄新的超對稱弦理論，簡稱超弦理論，認為弦具有超對稱性質，弦的特征長度已不再是強子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。 1984年，Green和Schwarz證明[4]，當規范群取為SO(32)時，超弦I型的楊－Mills反常消失，4粒子開弦圈圖是有限的。 1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10維雜化弦概念，這種弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。雜化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)兩種。 同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]對10維雜化弦E[，8]×E[，8]的額外空間6維進行緊致化，最重要的一類為Calabi－丘流形。但是這類流形總數多到數百萬個，應該根據什么原則來選取作為我們世界的C－丘流形，至今還不清楚，雖然近10多年來，這方面的努力從來未中斷過。 1986年，提出建立超弦協變場論問題，促進了對非微擾超弦理論的探討。在諸種探討方案中，以E.Witten的非對易幾何最為突出[7]。 同年，人們詳細地研究了超弦唯象學，例如E[，6]以下如何破缺及相應的物理學，對緊致空間已不限于C－丘流形，還包括軌形(Orbifold)、倍集空間等。 人們常把1984-86年期間對超弦研究的突破，稱為第一次超弦革命。在此期間建立了超弦的五種相互獨立的10維理論，而且是微擾的。它們是I型、IIA型、IIB型、雜化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。 2)90年代M理論 經過80年代末期和90年代初期，對超弦理論的對偶性、鏡對稱及拓撲改變等的研究，到1995年五種超弦微擾理論的統一性問題獲得重大突破，從此第二次超弦革命開始出現。 1995年，Witten在南加州大學舉行的95年度弦會議上發表演講，點燃起第二次超弦革命。Witten根據諸種超弦間的對偶性及其在不同弦真空中的關聯，猜測存在某一個根本理論能夠把它們統一起來，這個根本理論Witten取名為M理論。這一年內Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人發表論文，給出ⅡA型弦和M理論間的關系[8]、I型弦和雜化SO(32)型弦間的關系、雜化弦E[，8]×E[，8]型和M理論間的關系等。 1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人認識到D-branes的重要性。積極進行D-branes動力學研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe應用D-brane思想，計算了黑洞這種極端情形的熵和面積關系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面積的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena對具有不同角動量與電荷的黑洞所計算的結果指出，黑洞遵從量子力學的一般原理。G.Collins探討了量子黑洞信息損失問題。 1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩陣弦理論，研究了M理論和矩陣模型間的聯系和區別。 同年，Maldacena提出AdS/CFT對偶性[11]，即一種Anti-de Sitter空間中的IIB型超弦及其邊界上的共形場論之間的對偶性假設，人們稱為Maldacena猜測。這個猜測對于我們世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking確立果殼中宇宙的思想，都有不少的啟示。 2.圈量子引力方面[12] 1)二十世紀80年代 1982年，印度物理學家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相繼發表兩篇文章，把廣義相對論引力場方程表述成簡單而精致的形式。 1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，認為該方程已經表述了廣義相對論的核心內容。一年后，他給出了廣義相對論新的流行形式，從而對于在Planck標度的空間時間幾何量，可以進行具體計算，并作出精確的數量性預言。這種表述是此后正則量子引力進一步發展的關鍵。 同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引進經典Ashtekar變量后，他們在圈為光滑且非自相交情形下，求出了正則量子引力的WDW方程解。此后，他們又找到了即使在圈相交情況下的更多解。 1987年，由于Hamiltonian約束的Wilson圈解的發現，C.Revolli和Smolin引進觀測量的經典Possion代數的圈表示，并使微分同胚約束用紐結(knot)態完全解出。 1988年，V.Husain等人用紐結理論(knot theory)，研究了量子約束方程的精確解及諸解間的關系，從而認為紐結理論支配引力場的物理量子態。同年，Witten引進拓樸量子場論(TQFT)的概念。 2)二十世紀90年代 1990年，Rovelli和Smolin發表論文指出，對于在大尺度幾何近似變為平直時態的研究，可以預言Planck尺度空間具有幾何斷續性。對于編織的這些態，在微觀很小尺度上具有“聚合物”的類似結構，可以看作為J.Wheeler時空泡沫的形式化。 1993年，J.Iwasaki和Rovelli探討了量子引力中引力子的表示，引力子顯示為時空編織纖維的拓樸修正。 1994年，Rovelli和Smolin第一次計算了面積算子和體積算子的本征值[13]，得出它們的本征譜為斷續的重大結論。此后不久，物理學者曾用多種不同方法證明和推廣這個結論，指出在Planck標度，空間面積和體積的本征譜，確實具有分立性。 1995年，Rovelli和Smolin利用自旋網絡基[14]，解決了關于用圈基所長期存在的不完備性困難。此后不久，自旋網絡形式體系，便由J.Baez徹底闡明。 1996年，Rovelli應用K.Krasnov觀念，從圈量子引力基本上導出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。 1998年，Smolin研究圈和弦間的相似性，開始探討圈量子引力和弦論的統一問題。 三、當代量子引力理論主要成就 1.超弦／M理論方面 1)弦及brane概念的提出 廣義相對論中的奇性困難、量子場論中的紫外發散本質、樸素量子引力中的重正化問題，看來都起源于理論的純粹幾何的點模型。超弦理論提出輕子、夸克、規范粒子等微觀粒子都是延伸在空間的一個區域中，它們都是1維的廣延性物質，類似于弦狀，其特征長度為Planck長度。M理論更推廣了弦的概念，認為粒子類似于多維的brane，其線度大小為Planck長度。為簡單起見，我們把brane也稱作膜。超弦／M理論中，用有限大小的微觀粒子替代粒子物理標準模型中純粹幾何的點粒子，這是極為重要且富有成效的革命性觀念。 2)五種微擾超弦理論 這五種超弦的不同在于未破缺的超對稱荷的數目和所具有的規范群。I型有N=1超對稱性，含有開弦和閉弦，開弦零模描述楊－Mills場，閉弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超對稱性，旋量為Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自動無反常，只含有閉弦，零模描述N=2超引力。IIB型同樣有N=2超對稱性，具有手征性。雜化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦雜化而成，只包含可定向閉弦，有手征性和N=1超對稱性，可以描述引力及楊－Mills作用。 3)超弦唯象學 從唯象學角度來看，雜化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由緊致16維右旋坐標場(26-10=16)而產生的，即由16維內部空間緊致化而得到，也就是說在緊致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理論。 但是迄今為止，物理學根據實驗認定我們的現實空間是三維的，時間是一維的，把四維時空(D=4)作為我們的現實時空。因此我們必須把10維時空緊致化得到低能有效四維理論，為此人們認為從D=10維理論出發，通過緊致化有 M[10]→M[4]×K 此中K為C－丘流形，此內部緊致空間維數為10-4=6，M[4]為Minkowski空間，從而得到4維Minkowski空間低能有效理論。其重要結論有： (1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理論（M[10]中規范群為E[，8]×E[，8]）緊致化為D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超對稱理論。 (2)夸克和輕子的代數Ng完全由K流形的拓樸性質決定：為Euler示性數χ，系拓樸不變量。 (3)對稱破缺問題。已知超弦四維有效理論為N=1，規范群為E[，6]×E[，8]的超對稱楊—Mills理論，現實模型要求破缺。首先由第二個E[，8]進行超對稱破缺，然后對大統一群E[，6]已進行破缺，從而引力作用在E[，8]中，弱、電、強作用在E[，6]中，實現了四種作用的統一。 4)T和S′對偶性 盡管五種超弦理論在廣義相對論和量子力學統合上，取得了不少進展，但是五種超弦理論則是相互獨立的，理論卻是微擾的。盡管在超弦唯象學中，原則上－丘流形K一旦固定下來，在D=4時空中所有零質量費米子和玻色子（包括Higgs粒子）就會被確定下來，但是－丘真空態總數則可多到數百萬個，應該根據什么原則來選取－丘真空態，目前還不清楚。T對偶性和S對偶性的提出，正是五種超弦理論融通的主要橋梁。

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