《引力的量子理论》PPT课件

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1、浅谈引力的量子理论2003级材料物理李彦波0310258光信息科学与技术李旭明0310257光信息科学与技术邱子峰0310264课件内容量子引力理论的提出量子引力理论的早期尝试两种成熟的量子引力理论关于量子引力理论的检验前景展望一、量子引力理论的提出广义相对论和量子理论是现代物理学的两大支柱。二十世纪物理学家的一个很大的梦想就是把这两大支柱合而为一。在量子理论发展早期，广义相对论是除电磁场理论外唯一的基本相互作用场论。把它纳入量子理论的框架就成为继量子电动力学后一种很自然的想法。广义相对论和量子理论在各自的领域内都经受了无数的实验检验，迄今为止，还没有任何确切的实验观测与这两者

2、之一矛盾。狭义相对论和量子力学的结合产生量子场论，是目前最成功的理论之一。但是，经过数十年的努力，物理学家们还没有将广义相对论和量子力学成功地结合起来，这个问题应是二十一世纪物理学家面对的最大挑战。广义相对论是把引力归结为时空本身的几何性质。从某种意义上讲，广义相对论所描述的是一种“没有引力的引力”。量子力学预言，所有物质形态都满足量子法则，这个原理已被实验检验到小到10-15厘米或10-16厘米，但引力不包括在内。也就是说，引力一直只能作为经典场，即无量子涨落的场来处理。如将引力包括，有两个层次需要研究第一个层次是，将一个系统放在一个经典引力场中，这个系统是否还遵循量子力学，

3、如果该系统在其它一切情形下都满足量子力学？这里我们仅要求该系统满足量子力学的一切原理，而引力场只被看成一个固定的重力背景。在这种情形下似乎很难想象量子原理被破坏，因为如果我们假想用另外一种理论取代量子力学，我们至少有两件事情要做：第一，这个理论必须与量子力学结合，因为粒子在其它一切情形下满足量子力学；第二，在某个极限下我们应得到该系统在引力场中的经典行为，或者得到牛顿理论，或者得到爱因斯坦理论。如果将引力场作为背景场处理，量子力学很容易满足这两个要求，这是一个最经济的选择将引力包容于量子论的第二个层次是将引力场本身也量子化，也就是要求引力场本身也满足测不准原理，这个理论还没有完

4、全被构造好。目前超弦理论被广泛认为最有希望统一爱因斯坦的引力理论，即广义相对论和量子力学。虽然量子引力理论的主要进展大都是在最近这十几年取得的，但是引力量子化的想法早在1930年就已经由L.Rosenfeld提出了。但是引力量子化的道路却远比电磁场量子化来得艰辛。曾经经历了几代物理学家的努力却未获得实质性的进展。广义相对论是一个很特殊的相互作用理论，它把引力归结为时空本身的几何性质。从某种意义上讲，广义相对论所描述的是一种“没有引力的引力”。既然“没有引力”，是否还有必要进行量子化呢？描述这个世界的物理理论是否有可能只是一个以广义相对论时空为背景的量子理论呢？也就是说广义相对论

5、和量子理论是否有可能真的同时作为物理学的基础理论呢？这些问题之所以被提出，除了量子引力理论本身遭遇的困难外，没有任何量子引力存在的实验证据也是一个重要原因。但是种种迹象表明，即使撇开由两个独立理论所带来的美学上的缺陷，把广义相对论和量子理论作为自然图景的完整描述仍然存在许多难以克服的困难。问题首先在于广义相对论和量子理论彼此间并不相容我们知道一个量子系统的波函数由系统的Schrödinger方程:HΨ=i∂tΨ所决定。但是一旦引进引力相互作用，情况就不同了。因为由波函数所描述的系统本身就是引力相互作用的源，而引力相互作用又会反过来影响波函数，这就在系统的演化中引进了非线性耦合，

6、从而破坏了量子理论的态迭加原理。不仅如此，进一步的分析还表明量子理论和广义相对论耦合体系的解是不稳定的。其次，广义相对论和量子理论在各自“适用”的领域中也都面临一些尖锐的问题。因此广义相对论和量子理论不可能是物理理论的终结，寻求一个包含广义相对论和量子理论基本特点的更普遍的理论是一种合乎逻辑和经验的努力。迄今为止对量子引力理论最具体最直接的“理论证据”来自于对黑洞热力学的研究。一九七二年，Princeton大学的研究生J.D.Bekenstein受黑洞动力学与经典热力学之间的相似性启发，提出了黑洞熵的概念，并估算出黑洞的熵正比于其视界(EventHorizon)面积。稍后，S.

7、W.Hawking研究了黑洞视界附近的量子过程，结果发现了著名的Hawking幅射，即黑洞会向外幅射粒子(也称为黑洞蒸发)，从而表明黑洞是有温度的。由此出发Hawking也推导出了Bekenstein的黑洞熵公式，并确定了比例系数，这就是所谓的Bekenstein-Hawking公式：S=k(A/Lp2)/4式中k为Boltzmann常数，它是熵的微观单位，A为黑洞视界面积，Lp为Planck长度，它是由广义相对论和量子理论的基本常数组合成的一个自然长度单位(大约为10-35米)。Hawki