吴岳良：新的引力量子化路线图

2016年初的北京，一股强烈的寒潮从西伯利亚袭来，空气变得有点冷。

1月11日，中国科学院院士、中国科学院大学副校长、中国科学院卡夫瑞理论物理研究所所长吴月良院士发表了一篇以“引力量子场论”为主题的“物理学评论d”论文。

这篇文章似乎是寒夜里的暖流，温暖了整个冰冻的学术界，在学术界和新闻界引起了一场*的骚动。吴月良不仅在中国理论物理学界有着特殊的地位，而且因为“引力量子场论”被学术界公认为终极问题，因为解决这个问题可以让我们知道为什么早期宇宙开始了大爆炸之旅。这就是所谓的“先推”问题，没有人能拒绝它的神秘魅力。

那么，本文讨论的“引力量子场论”到底是什么？物理学的本质是什么？带着一系列的疑问，小蝌蚪君独家采访了吴月良。

吴月良院士(蝌蚪君/照片)

20年前:1996年回国后，他开始与周院士共同研究大统一理论。

吴月良说，1996年从国外回来后，他开始做他认为重要的事情，很少跟随研究的潮流。1997年，吴岳亮和他的导师周·先生在《中国科学》上发表了一篇题为“所有基本力量的可能的大统一模型”的论文。这是他们最早提出引力量子理论的想法。

小蝌蚪君:“你当时发的文章包括重力吗？”

吴月良:“是的，当时我回家的主要原因是我想开始解决重力问题。在此之前，我做了一些轻子，夸克和CP破坏的工作。回家后，我主要想做引力的量子理论。”

小蝌蚪君:“我们来谈谈你和周院士当时的大一统理论。当时，除引力之外的三种力的统一理论基本上已经存在，如温伯格、葛兰素史克和萨拉姆的弱电统一理论和粒子物理的标准模型

吴月亮:“是的，但是我们需要找出电子的质量，所有夸克的质量以及这些质量之间的关系。”

小蝌蚪君:“基本粒子的质量是一个*参数，理论无法预测。”

吴月良:“是的，但是通过我们的超对称大统一模型，我们输入大约5个参数，可以给出10多个基本关系。这些关系可以预测这些粒子的质量，其中一些与实验符合得很好。”

由于20年前研究大统一模型的经历，吴月良在心中种下了一个量子引力的梦想。尽管1998年16万光年外超新星中微子的发现以及日本小柴昌俊等人发现的中微子振荡吸引了吴月良对中微子物理的关注，但重力量子化(即大统一理论)的梦想一直隐藏在吴月良的心中。

也许吴月良20年后的作品可以被看作是“不要忘记你的主动精神，从而达到你的最终目标”的结果。

改变方式:从弯曲时空到平坦时空

吴月良告诉小蝌蚪君，他第一次回家时在《中国科学》杂志上发表的论文是他开始做重力量子化的第一篇论文。但在那篇论文中，吴月良仍然没有跳出传统的思维陷阱——也就是爱因斯坦所说的“重力是弯曲时空的表现”。因此，当时的文章仍然是在弯曲时空中完成的，所以重力的量子化部分不是特别成功。

因此，从1996年回国开始，近20年后，吴月良在2016年《物理评论D》发表的这篇文章中，开始进行重大的技术调整:重力不再像爱因斯坦那样被视为弯曲时空的表现形式，而是作为量子场直接引入平面时空，提出了双框架四维时空，即整个平面坐标时空和局部平面重力场时空。这一技术路线的选择使他“超越了爱因斯坦提供的技术路线”。

小蝌蚪君:“从弯曲时空回归到平坦时空是一种思想的转变，但据我所知，平坦时空中所有的引力量子理论都面临重组的困难。在你最近的文章中，你是如何解决这个问题的？”

吴月良:“重整化的问题不一定是分歧的问题。有时有限的物理量也需要重整化。如果重正化出现无限发散，我们必须首先对它进行归一化，这样无限发散积分才能被很好地定义并具有物理意义。多年来，我发展了一套正则化方案，我称之为圆归一化方法，它不同于量子场论中的维数归一化方案。用我的归一化方法，可以克服无限发散的问题。考虑到尺度不变引力量子场论中有一个基本的质量尺度，它可以用来解决引力量子化中的重正化问题

小蝌蚪君:“你选择平面时空来量化重力还有其他原因吗？”

吴月亮:“时空是平的，那么能量守恒定律和动量守恒定律仍然存在。如果时空是弯曲的，那么这些守恒定律就不存在。”

思想核心:以洛伦兹群为范数群建立新引力范数理论

吴月良认为，随着20世纪物理学的发展，以杨振宁为代表的物理学家建立的规范对称性决定相互作用的思想是主流的物理思想。例如，电磁力对应于U(1)对称性，弱力几乎对应于SU(2)对称性，强力对应于SU(3)对称性。根据规范场论的这一套观点，吴月良还将引力对应于一组对称的场空间。这个群与洛伦兹群SO(1，3)同构(蝌蚪君注:洛伦兹群本身体现了狭义相对论的本质)。然而，由于洛伦兹群是一个空间和时间的对称群，吴月良用SP(1，3)来描述引力场空间的对称群，将整体平面坐标空间和时间的对称性与局部平面引力场空间和时间的对称性区分开来，这是吴月良近期论文的思想核心。

小蝌蚪君:“对SP(1，3)场空间的对称性有普遍的解释吗？”

吴月亮:“看，描述电子的方程是狄拉克方程。这个方程的解有4个分量，这是一个4分量旋量。这个四分量自旋显示了SP(1，3)场空间的对称性。”

小蝌蚪君:“在你的理论中，引力场在SP(1，3)的场空间中也有内在的对称性。”

吴月亮:“是的。在我的理论中，狄拉克方程中的场实际上是扩展的。狄拉克方程最初被解释为电子、正电子和自旋，这实际上反映了场空间中的SP(1，3)对称性。然而，SP(1，3)对称性可以有更多的含义。事实上，电磁力、弱力、强力和引力都是代表空间的对称群的矢量。”

从云到地:回到爱因斯坦引力场方程

吴月良用规范场理论的方法构造和量化了传统的引力理论。这个结果可以处理黑洞问题并解释宇宙的起源。然而，这个过程的数学运算相当复杂。当整个理论对称地局部化时，将会产生一些新的场。当对称性被打破时，会产生一些新的场。当规范被固定时，一个新的领域将被创造出来——根据吴月良院士的说法，这个领域是每个人都梦想的引力场，而且它也反映了引力场的基本性质(坐标系统变换下的广义协方差，但是这个性质隐藏在吴月良的理论中，它是一个隐藏的对称性)。

小蝌蚪君:“你的论文中提到，你可以得到爱因斯坦的场方程，就像从云中飞回地面一样。你的场方程和爱因斯坦最初的引力场方程完全一样吗？你的理论如何回到爱因斯坦的引力方程？”

吴月亮:“我们当然可以回到爱因斯坦的引力方程，但是我的理论也考虑到了引力场本身的能量动量张量。在低能近似下，我把引力场的能量动量张量和物质场的能量动量张量相加，总的结果等于零——你可以把物质场的项移到方程的右边，你可以看到这实际上是爱因斯坦的引力场方程。因此，我可以说爱因斯坦的引力方程是我理论的低能近似。当然，我的理论比爱因斯坦的高能引力方程有更多的东西，比如自旋和自旋之间的相互作用。”

黑洞的应用:霍金和其他人一直争论的黑洞信息问题本身就是一个伪命题

小蝌蚪君:“你在一个平坦的空间和时间上做重力，你将不可避免地遇到一个问题，那就是，如何处理黑洞附近的物理过程？我们都知道黑洞附近的时空是弯曲的。”

吴月亮:“我已经和蔡荣根的研究人员多次讨论过黑洞的问题。我说当你做相对论时，你觉得这个黑洞怎么样？相对论中的黑洞解是一个数学解，没有考虑真实物质场之间的相互作用以及这些物质如何导致黑洞的形成。”

吴岳亮对黑洞的一些基本问题有自己独特的看法。他认为传统的史瓦西黑洞、克尔黑洞等等只是真空爱因斯坦场方程的精确解。因为它是真空解决方案，所以不考虑存在真实物质时的物理现象。

吴月亮:“到目前为止获得的黑洞解是由引力场本身引起的时空效应，与你的物质无关。”

小蝌蚪君:“物质进入，它都在黑洞里面...物质信息进入黑洞，然后全部丢失。这是霍金关于黑洞信息的一些悖论。

吴月亮:“我不这么认为。我们可以比较强作用中的胶子。胶子本身有相互作用，所以它们可以形成胶球。引力子本身和它们自己之间也有类似的非线性相互作用，所以让我说黑洞是一个纯引力“引力球”或者类似的东西。没有考虑其他物质场和重力之间的耦合，也没有考虑物质和物质之间的相互作用。”

小蝌蚪君:“这是一个更物理的说法，但是我们通常认为物质是存在的，但是后来它被黑洞吸走了，信息丢失了。”

吴月亮:“你在问自己一个问题。你说你丢失了信息，然后你去找信息。我告诉过你，你的黑洞是真空溶液，没有物质。你现在为什么要去寻找物质的信息呢？”

吴月良认为，霍金等人一直在争论的黑洞信息问题本身就是一个错误的命题。

宇宙学的应用:标度不变性引入的标度场控制着宇宙的飞速发展

在任何完美的量子引力理论中，我们不仅需要解释黑洞问题，还需要解释宇宙学问题。吴月良也有自己的宇宙观。

在吴月良描述整个宇宙演化的拉普拉斯量中，可以看到许多项，每一项代表一个共同控制整个量子宇宙演化的场。其中，为保证理论标度的不变性而引入的标度场起着非常重要的作用。

小蝌蚪君:“我们知道量子宇宙学开始于大约10 -43次方秒的大爆炸，然后在10 -35次方秒发生强相互作用相变，然后在10 -30次方秒飞速上升，弱电流相变发生在10 -10次方秒。那么这些时间尺度是如何出现在你的理论中的呢？”

吴月良:“在我的理论中，有一个标度场需要保持标度不变，使理论无量纲化。你可以在普朗克尺度上取这个尺度场的值，然后在当前宇宙尺度上取一个值，然后你可以设置你所说的尺度场和时间尺度。但在开始时，我的理论没有这些特有的时间尺度，而是由对称性破缺引发的。”

因此，吴岳亮的理论可以很好地解释宇宙的起源。

采访结束后，吴月良院士与作者合影留念。

在前沿科学论坛上的演讲:超越爱因斯坦

在接受蝌蚪君专访的当天下午，吴月良在中国科学院理论物理研究所举办的前沿科学论坛上发表了演讲。演讲由中国物理学会引力与相对论天体物理学分会主席蔡荣根研究员主持。戴元本、朱中原、苏、黄朝光、朱建阳、凌毅、吴君宝等研究员(教授)也听取了吴院士精彩的报告。教授、博士后和博士生聚集在研讨会上，共有约200人。毫无疑问，广义相对论和量子理论的统一仍然是理论物理中的一个热门话题。

吴岳亮在演讲中说，他的研究工作确实超越了爱因斯坦的引力理论。

吴月良还告诉小蝌蚪君，在20年的研究中，他的目标是在中国的理论物理领域倡导一种“创新”的氛围，形成“百家争鸣”的局面。量子引力理论本身是一个极其困难的问题。小蝌蚪君相信吴月良院士为重力的量子化给出了一个新的路线图。基于此，可以给这一前沿领域的研究带来新的启示。

本文收集并撰写蝌蚪参谋张选

(感谢中国科学院吴保军教授的采访和帮助)

-小蝌蚪君提醒，对吴月良院士的“引力量子场论”感兴趣的读者可以在这里盖章下载关于arxiv的论文的pdf版本-