量子力学和广义相对论范文1
【关键词】超弦/m理论/圈量子引力/哲学反思
【正文】
本文分四部分。首先明确什么是量子引力？其次给出当代量子引力发展简史，更次概述当代量子引力研究主要成果，最后探讨量子引力的一些哲学反思。
一、什么是量子引力？
当代基础物理学中最大的挑战性课题，就是把广义相对论与量子力学协调起来[1]。这个问题的研究，将会引起我们关于空间、时间、相互作用（运动）和物质结构诸观念的深刻变革，从而实现20世纪基础物理学所提出的空间时间观念的量子革命。
广义相对论是经典的相对论性引力场理论，量子力学是量子物理学的核心。凡是研究广义相对论和量子力学相互结合的理论，就称为量子引力理论，简称量子引力。探讨量子引力卓有成效的理论，主要有两种形式。第一，是把广义相对论进行量子化，正则量子引力属于此种。第二，是对一个不同于广义相对论的经典理论进行量子化，而广义相对论则作为它的低能极限，超弦／m理论则属于这种。
圈(loop)量子引力[2]是当前正则量子引力的流行形式。正则量子引力是只有引力作用时的量子引力，和超弦／m理论相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是应用标准量子化手续于广义相对论，而广义相对论则写成正则的即hamiltonian形式。正则量子引力根据历史发展大体上可分为朴素量子引力和圈量子引力。粗略来说，前者发生于1986年前，后者发生于1986年后。朴素量子引力由于存在着紫外发散的重正化困难，从而圈量子引力发展成为当前正则量子引力的代表。
超弦／m理论的目的，在于提供己知四种作用即引力和强、弱、电作用统一的量子理论。理论的基本实体不是点粒子，而是1维弦、2维简单膜和多维brane（广义膜）的延展性物质客体。超弦是具有超对称性的弦，它不意味着表示单个粒子或单种作用，而是通过弦的不同振动模式表示整个粒子谱系列。
圈量子引力和超弦／m理论之外，当代量子引力还有其它不同方案。例如，euclidean量子引力、拓扑场论、扭量理论、非对易几何等。
二、当代量子引力研究进展
我们主要给出超弦／m理论和圈量子引力研究的重大进展。
1.超弦／m理论方面[3]
弦理论简称弦论，虽然在20纪70年代中期，已经知道其中自动包含引力现象，但因存在一些困难，只是到80年代中期才取得突破性进展。
1)80年代超弦理论
弦论发展可粗略分为早期弦理论（70年代）、超弦理论（80年代）和m理论（90年代）三个时期。我们从80年代超弦理论开始，简述其研究进展。
1981年，m·green和j.schwarz提出一种崭新的超对称弦理论，简称超弦理论，认为弦具有超对称性质，弦的特征长度已不再是强子的尺度（～10[-13]厘米），而是planck尺度（～10[-33]厘米）。
1984年，green和schwarz证明[4]，当规范群取为so(32)时，超弦i型的杨－mills反常消失，4粒子开弦圈图是有限的。
1985年，d.gross,j.harvey[5]等4人提出10维杂化弦概念，这种弦是由d=26的玻色弦和d=10超弦混合而成。杂化弦有e[,8]×e[,8]和so(32)两种。
同年，p.candlas,g.horowitz,a.strominger和e.witten[6]对10维杂化弦e[,8]×e[,8]的额外空间6维进行紧致化，最重要的一类为calabi－丘流形。但是这类流形总数多到数百万个，应该根据什么原则来选取作为我们世界的c－丘流形，至今还不清楚，虽然近10多年来，这方面的努力从来未中断过。
1986年，提出建立超弦协变场论问题，促进了对非微扰超弦理论的探讨。在诸种探讨方案中，以e.witten的非对易几何最为突出[7]。
同年，人们详细地研究了超弦唯象学，例如e[,6]以下如何破缺及相应的物理学，对紧致空间已不限于c－丘流形，还包括轨形(orbifold)、倍集空间等。
人们常把1984-86年期间对超弦研究的突破，称为第一次超弦革命。在此期间建立了超弦的五种相互独立的10维理论，而且是微扰的。它们是i型、iia型、iib型、杂化e[,8]×e[,8]型和so(32)型。
2)90年代m理论
经过80年代末期和90年代初期，对超弦理论的对偶性、镜对称及拓扑改变等的研究，到1995年五种超弦微扰理论的统一性问题获得重大突破，从此第二次超弦革命开始出现。
1995年，witten在南加州大学举行的95年度弦会议上发表演讲，点燃起第二次超弦革命。witten根据诸种超弦间的对偶性及其在不同弦真空中的关联，猜测存在某一个根本理论能够把它们统一起来，这个根本理论witten取名为m理论。这一年内witten、p.horava、a.dabhulkar等人，给出ⅱa型弦和m理论间的关系[8]、i型弦和杂化so(32)型弦间的关系、杂化弦e[,8]×e[,8]型和m理论间的关系等。
1996年，j.polchinski、p.townscend、c.baches等人认识到d-branes的重要性。积极进行d-branes动力学研究[9]，取得一定成果。同年，a.strominger、c.vafe应用d-brane思想，计算了黑洞这种极端情形的熵和面积关系[10]，得到了和bekenstein-hawking的熵－面积的相同表示式。g.callon、j.maldacena对具有不同角动量与电荷的黑洞所计算的结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理。g.collins探讨了量子黑洞信息损失问题。
1997年，t.banks、j.susskind等人提出矩阵弦理论，研究了m理论和矩阵模型间的联系和区别。
同年，maldacena提出ads/cft对偶性[11]，即一种anti-de sitter空间中的iib型超弦及其边界上的共形场论之间的对偶性假设，人们称为maldacena猜测。这个猜测对于我们世界的randall-sundrum膜模型的提出及hawking确立果壳中宇宙的思想，都有不少的启示。
2.圈量子引力方面[12]
1)二十世纪80年代
1982年，印度物理学家a.sen在phys.rev.和phys.lett.上相继发表两篇文章，把广义相对论引力场方程表述成简单而精致的形式。
1986年，a.ashtekar研究了sen提出的方程，认为该方程已经表述了广义相对论的核心内容。一年后，他给出了广义相对论新的流行形式，从而对于在planck标度的空间时间几何量，可以进行具体计算，并作出精确的数量性预言。这种表述是此后正则量子引力进一步发展的关键。
同年，t.jacobson和l.smolin求出wilson圈解。在引进经典ashtekar变量后，他们在圈为光滑且非自相交情形下，求出了正则量子引力的wdw方程解。此后，他们又找到了即使在圈相交情况下的更多解。
1987年，由于hamiltonian约束的wilson圈解的发现，c.revolli和smolin引进观测量的经典possion代数的圈表示，并使微分同胚约束用纽结(knot)态完全解出。
1988年，v.husain等人用纽结理论(knot theory)，研究了量子约束方程的精确解及诸解间的关系，从而认为纽结理论支配引力场的物理量子态。同年，witten引进拓朴量子场论(tqft)的概念。
2)二十世纪90年代
1990年，rovelli和smolin指出，对于在大尺度几何近似变为平直时态的研究，可以预言planck尺度空间具有几何断续性。对于编织的这些态，在微观很小尺度上具有“聚合物”的类似结构，可以看作为j.wheeler时空泡沫的形式化。
1993年，j.iwasaki和rovelli探讨了量子引力中引力子的表示，引力子显示为时空编织纤维的拓朴修正。
1994年，rovelli和smolin第一次计算了面积算子和体积算子的本征值[13]，得出它们的本征谱为断续的重大结论。此后不久，物理学者曾用多种不同方法证明和推广这个结论，指出在planck标度，空间面积和体积的本征谱，确实具有分立性。
1995年，rovelli和smolin利用自旋网络基[14]，解决了关于用圈基所长期存在的不完备性困难。此后不久，自旋网络形式体系，便由j.baez彻底阐明。
1996年，rovelli应用k.krasnov观念，从圈量子引力基本上导出了黑洞熵的bekenstein-hawking公式[15]。
1998年，smolin研究圈和弦间的相似性，开始探讨圈量子引力和弦论的统一问题。
三、当代量子引力理论主要成就
1.超弦／m理论方面
1)弦及brane概念的提出
广义相对论中的奇性困难、量子场论中的紫外发散本质、朴素量子引力中的重正化问题，看来都起源于理论的纯粹几何的点模型。超弦理论提出轻子、夸克、规范粒子等微观粒子都是延伸在空间的一个区域中，它们都是1维的广延性物质，类似于弦状，其特征长度为planck长度。m理论更推广了弦的概念，认为粒子类似于多维的brane，其线度大小为planck长度。为简单起见，我们把brane也称作膜。超弦／m理论中，用有限大小的微观粒子替代粒子物理标准模型中纯粹几何的点粒子，这是极为重要且富有成效的革命性观念。
2)五种微扰超弦理论
这五种超弦的不同在于未破缺的超对称荷的数目和所具有的规范群。i型有n=1超对称性，含有开弦和闭弦，开弦零模描述杨－mills场，闭弦零模描述超引力。ⅱa型有n=2超对称性，旋量为majorana-weyl旋量，不具有手征性，自动无反常，只含有闭弦，零模描述n=2超引力。iib型同样有n=2超对称性，具有手征性。杂化弦是由左旋d=10超弦和左旋d=26玻色弦杂化而成，只包含可定向闭弦，有手征性和n=1超对称性，可以描述引力及杨－mills作用。
3)超弦唯象学
从唯象学角度来看，杂化弦型是重要的，e[,8]×e[,8]是由紧致16维右旋坐标场(26-10=16)而产生的，即由16维内部空间紧致化而得到，也就是说在紧致化后得到d=10，n=1，e[,8]×e[,8]的超弦理论。
但是迄今为止，物理学根据实验认定我们的现实空间是三维的，时间是一维的，把四维时空(d=4)作为我们的现实时空。因此我们必须把10维时空紧致化得到低能有效四维理论，为此人们认为从d=10维理论出发，通过紧致化有
m[10]m[4]×k
此中k为c－丘流形，此内部紧致空间维数为10-4=6，m[4]为minkowski空间，从而得到4维minkowski空间低能有效理论。其重要结论有：
(1)由d=10,e[,8]×e[,8]超弦理论（m[10]中规范群为e[,8]×e[,8]）紧致化为d=4，e[,6]×e[,8]、n=1超对称理论。
(2)夸克和轻子的代数ng完全由k流形的拓朴性质决定：为euler示性数χ，系拓朴不变量。
(3)对称破缺问题。已知超弦四维有效理论为n=1，规范群为e[,6]×e[,8]的超对称杨—mills理论，现实模型要求破缺。首先由第二个e[,8]进行超对称破缺，然后对大统一群e[,6]已进行破缺，从而引力作用在e[,8]中，弱、电、强作用在e[,6]中，实现了四种作用的统一。
4)t和s′对偶性
尽管五种超弦理论在广义相对论和量子力学统合上，取得了不少进展，但是五种超弦理论则是相互独立的，理论却是微扰的。尽管在超弦唯象学中，原则上－丘流形k一旦固定下来，在d=4时空中所有零质量费米子和玻色子（包括higgs粒子）就会被确定下来，但是－丘真空态总数则可多到数百万个，应该根据什么原则来选取－丘真空态，目前还不清楚。t对偶性和s对偶性的提出，正是五种超弦理论融通的主要桥梁。
在m理论的孕育过程中，对偶性起了重要作用。弦论中存在着一种在大小紧致空间之间的对偶性。例如ⅱa型弦在某一半径为r[,a]的圆周上紧致化和ⅱb型在另一半径为r[,8]的圆周上紧致化，两者是等效的，则有关系r[,b]=(m[2,s]r[,a])[-1]。于是当r[,a]从无穷大变到零时，r[,b]从零变到无穷大。这给出了ⅱa弦和ⅱb弦之间的联系。两种杂化弦e[,8]×e[,8]和so(32)也存在类似联系，尽管在技术性细节上有些差别，但本质上却是同样的。
a.sen证明，在超对称理论中，必然存在着既带电荷又带磁荷的粒子。当这一猜测推广到弦论后，它被称作为s对偶性。s对偶性是强耦合与弱耦合间的对称性，由于耦合强度对应于膨胀子场，杂化弦so(32)和i型弦可通过各自的膨胀子连系起来。
5)m理论和五种超弦、11维超引力间的联系
m理论作为10维超弦理论的11维扩展，包含了各种各样维数的brane，弦和二维膜只是它的两种特殊情况。m理论的最终目标，是用一个单一理论来描述已知的四种作用。m理论成功的标志，在于把量子力学和广义相对论的新理论框架中相容起来。
附图
上面给出五种超弦理论、11维超引力和m理论相容的一个框架示意图[16]，即m理论网络。此网络揭示了五种超弦理论、11维超引力都是单一m理论的特殊情形。当然至今m理论的具体形式仍未给出，它还处于初级阶段。
6)推导量子黑洞的熵－面积公式。
在某些情形下，d-branes可以解释成黑洞，或者说是黑branes，其经典意义是任何物质（包括光在内）都不能从中逃逸出的客体。于是开弦可以看成是具有一部分隐藏在黑branes之内的闭弦。hawking认为黑洞并不完全是黑的，它可以辐射出能量。黑洞有熵，熵是用量子态来衡量一个系统的无序程度。在m理论之前，如何计算黑洞量子态数目是没有能力的。strominger和vafa利用d-brane方法，计算了黑－branes中的量子态数目，发现计算所得的的熵－面积公式，和hawking预言的精确一致，即bekenstein-hawking公式，这无疑是m理论的一个卓越成就。
对于具有不同角动量和电荷的黑洞所计算结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理，这说明黑洞和量子力学是十分融洽的。
2.圈量子引力方面
1)hamiltonian约束的精确解。
圈量子引力惊人结果之一，是可以求出hamiltonian约束的精确解。其关键在于hamiltonian约束的作用量，只是在s－纽结的结点处不等于零。所以不具有结点的s－纽结，才是量子einstein动力学求出的物理态。但是这些解的物理诠释，至今还是模糊不清的。
其它的多种解也已求得，特别是联系连络表示的陈－simons项和圈表示中的jones多项式解，j.pullin已经详细研究过。witten用圈变换把这两种解联系起来。
2)时间演化问题
人们试图通过求解hamiltonian约束，获得在概念上是很好定义的、并排除冻结时间形式来描述量子引力场的时间演化。一种选择是研究和某些物质变量相耦合的引力自由度随时间演化，这种探讨会导致物理hamiltonian的试探性定义的建立，并在强耦合微扰展开中，对s纽结态间的跃迁振幅逐级进行考查。
3)杨－mills理论的重正化问题
t.thiemann把含有费米子圈的量子引力，探索性地推广到杨－mills理论进行研究。他指出在量子hamiltonian约束中，杨－mills项可以严格形式给出定义。在这个探索中，紫外发散看来不再出现，从而强烈支持在量子引力中引进自然切割，即可摆脱传统量子场论的紫外发散困难。
4)面积和体积量度的断续性
圈量子引力最著名的物理成果，是给出了在planck标度的空间几何量具有分立性的论断。例如面积
此中lp是planck长度，j[,i]是第i个半整数。体积也有类似的量子化公式。
这个结论表明对应于测量的几何量算子，特别是面积算子和体积算子具有分立的本征值谱。根据量子力学，这意味着理论所预言的面积和体积的物理测量必定产生量子化的结果。由于最小的本征值数量级是planck标度，这说明没有任何途径可以观测到比planck标度更小的面积（～10[-66]厘米[2]）和体积（～10[-99]厘米[3]）。从此可见，空间由类似于谐振子振动能量的量子所构成，其几何量本征谱具有复杂结构。
5)推导量子黑洞的熵－面积公式
已知schwarzchild黑洞熵s和面积a的关系，是bekenstein和hawking所给出，其公式为：
附图
这里k是boltzman常量，是planck常量，g[,n]为牛顿引力常量，c为光速。对这个关系式的深层理解和由物理本质上加以推导，m理论已经作过，现在我们看下圈量子引力的结果。
应用圈量子引力，通过统计力学加以计算，krasnov和rovelli导出
附图
此处γ为任意常数，β是实数(～1/4π)，显然如果取γ＝β，则由式(3)即可得到式(2)。这就是说，从圈量子引力所得出的黑洞熵－面积关系式，在相差一个常数值因子上和bekenstein-hawking熵－面积公式是相容的。
bekenstein-hawking熵公式的推导，对圈量子引力理论是一个重大成功，尽管这个事实的精确含义目前还在议论，而且γ的意义也还不够清楚。
四、量子引力理论的哲学反思
我们从空间和时间的断续性、运动（相互作用）基本规律的统一性、物质结构基本单元的存在性三个方面进行哲学探讨。
1.空间和时间的断续性
当代基础物理学的核心问题，是在planck标度破除空间时间连续性的经典观念，而代之以断续性的量子绘景。量子引力理论对空间分立性的揭示和论证，看来是最为成功的。
超弦／m理论认为，我们世界是由弦和brane构成的。根据弦论中给出的新的不确定性关系，弦必然有位置的模糊性，其线度存在一有限小值，弦、膜、或brane的线度是planck长度，从而一维空间是量子化的。由此推知，面积和体积也应该是量子化的。二维面积量子的数量级为10[-66]厘米[2]，三维体积量子的数量级为10[-99]厘米[3]等。
对于圈量子引力，其最突出的物理成果是具体导出了计算面积和体积的量子化公式。粗略说来，面积的数量级是planck长度lp的二次方，体积的数量级是lp的三次方。这就令人信服地论证了在planck标度，面积和体积具有断续性或分立性，从而根本上否定了空间在微观上为连续性的经典观念。
依据空间和时间量度的量子性，芝诺悖论就是不成立的，阿基里斯在理论上也完全可以追上在他前面的乌龟。类似的，《庄子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，万世不竭”这个论断在很小尺度上显然也是不成立的。古代哲学中这两个难题的困人之处，从空间时间断续性来看，是由于预先设定了空间和时间的度量，始终是连续变化的经典性质。实际上在微观领域，空间和时间存在着不可分的基本单元。
2.运动（相互作用）基本规律的统一性
20世纪基础物理学巨大成功之一，就是建立了粒子物理学的标准模型，理论上它是筑基于量子规范场论的。这个模型给出了夸克、轻子层次强、弱、电作用的su(3)×su(2)×u(1)规范群结构，在一定程度上统一了强、弱、电三种相互作用的规律。但是它不含有引力作用。
超弦／m理论的探讨，在于构建包含引力在内的四种作用统一的物理理论。传递不同相互作用的粒子如光子（电磁作用）、弱玻色子（弱作用）、胶子（强作用）和引力子（引力作用），对应于弦的各种不同振动模式，夸克、轻子层次粒子间的作用，就是弦间的相互作用。在planck标度，超弦／m理论是四种基本作用统一理论的最佳侯选者，也就是所说的万物理论(theory of everything)的最佳侯选者。
在planck时期，物质运动或四种作用基本规律的统一性，正是反映了我们宇宙在众多复杂性中所显现的一种基本简单性。
3.物质微观结构的基本单元的存在性[17]
世界是由物质构成的，物质通常是有结构的，但是物质结构在层次上是否具有基本单元，即德谟克利特式的“原子”是否存在？这是一个长期反复争论而又常新的课题。当代几种不同的量子引力，尽管对某些问题存在着不同的见解，但是关于这个问题从实质上来看，却给出了一致肯定的回答。
超弦／m理论认为，构成我们世界的物质微观基本单元是具有广延性的弦和brane，并非所谓的只有位置没有大小的数学抽象点粒子。粒子物理学标准模型中的粒子，都是弦或brane的激发。弦和brane的线度是有限短的planck长度，它们正是构成我们世界的物质基本单元，即德谟克利特式的“原子”，这是超弦／m理论为现今所有粒子提供的本体性统一。
圈量子引力给出了在planck标度面积和体积的量子化性质，即断续的本征值谱，面积和体积分别存在着最小值。由于在圈量子引力中，脱离引力场的背景空间是不存在的，而引子场是物质的一种形态，因此脱离物质的纯粹空间也就是不存在的。空间体积和面积的不连续性和基本单元的存在，正是物质微观结构的断续性和基本单元的存在性的最有力论据。
总之，超弦／m理论和圈量子引力从不同的侧面，对量子引力的本质和规律作出了一定的揭示，它们在planck标度领域一致地得出了空间量子化和物质微观结构基本单元存在的结论。这无疑是人们在20世纪末期对我们世界空间时间经典观念的重大突破，也是广义相对论和量子力学统合的成果；同时更是哲学上关于空间和时间是物质存在的客观形式，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质学说的一曲凯歌！
【参考文献】
[1] g.horowitz.quantum gravity at the turn of the millennium.gr-qc/0011089.22.
[2] c.rovelli.loop quantum gravity.gr-qc/9710008 10.oct.1997.
[3] m.kaku.introduction to superstring and m-theory.second editon.springer.new york,1999.
[4] m.green,j.schwarz.anomally cancellations in supersymmetric d=10 gauge theory and superstring theory.phys.lett.149b(1984)11.
[5] d.gross,j.horvey,e.martine and r.rohm.heterotic string.phys.rev.lett 54(1985)502.
[6] p.candelas,g.horowitz a.strominger and e.witten.vacuum configurations for superstrings.nucl.phys.b258(1985)46.
[7] e.witten.non-commutative geometry and string field theory.nucl.phys.b276(1986)291.
[8] e.witten.string-string duality conjecture in various.dimensions.nucl.phys.b443(1995)307.
[9] c.baches.d-brane dynamics.phys.lett.b374(1996)37.
[10] a.strominger,c.vafa.microscopic origin of the bekenstein-hawking entropy.phys.lett.b379(1996)99.
[11] j.maldacena.the large-nlimit of superconformal field theories and supergravity.hep-th/9711200.
[12] c.rovelli.notes for a brief history of quantum gravity.gr-qc/0006061.23jan,2001.
[13] c.rovelli,l.smolin.descreteness of area and volume in quantum gravity.gr-qc/9411005.
[14] c.rovelli,l.smolin.spin networks and quantum gravity.phys.rev.d52(1995)5743.
[15] c.rovlli,black hole entropy from loop quantum gravity.phys.rev.lett.74(1996)3288.
量子力学和广义相对论范文2
0、引言
文献〔1〕从爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》〔2〕中找到他对经典力学的思考之错误：他没有认识到地面参照系S和相对于S匀速平动的参照系sv′ 以及相对于S变速运动的参照系 s′ 上有互不相同的重力加速度――分别为 g、 gv和 g′ ，于是他误认为质量为m的同一物体在上述参照系上有相同的重力m g。上述参照系上的质点动力学基本方程依次为
F =ma或mg+ΣF1=ma （0-1）
Fv =mav 或mgv+ΣF1=mav （0-2）
F ′=ma′ 或mg′+ΣF1= ma′ （0-3）
其中 ΣF1为质点受到的除万有引力（即重力）以外的其他作用力。爱因斯坦想不到上述三条实验方程（其中式（0-1）为牛顿发现，式（0-2）（0-3）为梁氏发现）反映的物理规律是牛顿――梁氏定律〔1〕。这三条方程可统一写为牛顿――梁氏方程
F合=ma 合 （0-4）
上式为牛顿――梁氏定律表达式。爱因斯坦想不到 s′ 系相对于S系作牵连加速度ae 和科氏加速度ak 的加速运动时， s′上质量为m的物体要跟随 s′相对于S作加速运动，就必须从物体重力mg 中自动分解出相应的分力――牵连运动力F e（=mae） 和科氏运动力 F k（=mak） ，而重力mg 的另一个分力就是物体在 s′上的重力 〔1〕mg ′，于是有mg = mg ′+F e+F k。从伽利略到牛顿到爱因斯坦到文献〔3〕〔4〕的编著者均误认为有惯性系、惯性力、相对性原理和等效原理，关键错误是没有认识到 g≠gv≠g′。综上，梁氏就有机会将牛顿力学修正为牛顿――梁氏力学。
文献〔5〕从《狭义与广义相对论浅说》中找到爱因斯坦对相对论（即时空理论）的思考之错误：他没有认识到狭义相对性原理和等效原理不成立，没有认识到广义相对性原理没有实验基础而没有物理意义，没有认识到有比洛伦兹变换更普遍的梁氏变换，没有认识到钟慢的相对性和尺缩的相对性不成立和实验证明有梁氏钟慢尺缩绝对性原理。因此，梁氏用梁氏变换和梁氏钟慢尺缩绝对性原理，将爱因斯坦相对论修正为梁氏相对论。下面是梁氏对爱因斯坦相对论问题的思考，最后就文献〔1〕〔5〕和本文得出令人瞩目的结论。
1、同时性的相对性没有物理意义
文献〔6〕以为“同时性的相对性是理解狭义相对论的关键性概念。”其实，同时性的相对性不可观察，没有实际意义（即物理意义）。文献〔2〕（P21）的火车实验，若要A、B处发出的光对AB中点M（或M’）上的观察者来说能区分其到达的先后，则AM（=BM）必须大于视觉滞留时间与光速之乘积，因此AB之长即火车之长已远远超出实际长度，于是该思想实验没有实际意义。因此，同时性的相对性不成立，相对论不需要这样没有意义的概念。
2、比伽利略变换更普遍的低速梁氏变换
应用推导伽利略变换相同的方法，可推导出两坐标系（参照系，下同）相对变速运动（变速平动、匀速转动和变速转动）时的时空变换――低速梁氏变换
x′=x-vt、y′=y 、 z′=z 、t′=t （2-1a）
θ′= θ-ωt、 ρ′=ρ、z′=z 、t′=t （2-1b）
其中 v为平均速度， ω为平均角速度。上式的逆变换不写出。考虑到哥白尼日心说可推广为宇宙旋转说――地球绕太阳转、太阳绕银河系中心转、银河系中心绕银河系集团中心转……，因此宇宙间所有参照系都是转动参照系而无惯性系，于是惯性定律〔2〕不成立（即没有物理意义）。文献〔2〕（P10）反映爱因斯坦只想到伽利略变换而想不到低速梁氏变换，更想不到经典力学不需要不成立的惯性定律和牛顿第三定律也不是经典力学基本定律。
3、比洛伦兹变换更普遍的梁氏变换
应用不可证伪的光速不变性原理可推导出洛伦兹变换〔5〕、梁氏变换和超光速梁氏变换。从伽利略变换到洛伦兹变换的变换因子是1-v2/c2 ，不难想到（依类比法）从低速梁氏变换到梁氏变换的变换因子是1-v2/c2 和 1-（ρω）2，于是得梁氏变换
x′=（x-vt）/ 1-v2/c2 t′=（t-vx/c2）/ 1-v2/c2 （3-1a）
θ′= （θ-ωt）1-（ρω）2 t′=（t-ρ2ωθ/c2）/ 1-（ρω）2 （3-1b）
上式的逆变换不写出。另外，我们将两坐标系相对靠拢时的梁氏变换称为准梁氏变换，将两坐标系相对匀速平动靠拢时的时空变换称为准洛伦兹变换（这里不写出）。爱因斯坦没有认识到准洛伦兹变换和梁氏变换，因此错误地提出洛伦兹协变性〔2〕，文献〔6〕（P29）误认为洛伦兹变换不变性“已成为引导物理学家探索物理规律和物理理论的一条强有力的基本准则”。文献〔5〕〔7〕应用梁氏变换解答了狭义与广义相对论诸多典型问题，说明梁氏相对论取代爱因斯坦相对论将是历史的必然。
4、钟慢的相对性与尺缩的相对性不成立
假设运动相对性原理成立，则地球相对于太阳的运动与太阳相对于地球的运动同样成立，可是，我们否定地心说而肯定日心说，于是反证运动相对性原理不成立。运动相对性原理不成立，自然使钟慢的相对性与尺缩的相对性不成立。另外，μ子实验〔8〕、原子钟环绕地球飞行实验〔9〕、光谱线红移〔2〕和双生子实验〔5〕都证明了动钟变慢――“钟因运动而比静止时走得慢了”〔2〕;迈―莫实验（证明干涉仪水平臂对太阳参照系而言缩短了）和水星近日点运动（证明水星绕日运行轨道对太阳参照系而言缩短了）都证明了静尺缩短，于是文献〔2〕（P30）说“钢尺在运动时比在静止时短”就错了。因此，实验证明钟慢的相对性和尺缩的相对性不成立;爱因斯坦提出所谓双生子佯谬之佯谬说不成立;文献〔6〕（P29）认为钟慢尺缩是同时性的相对性带来的时空属性而不是物质过程，这就错了（因为钟慢尺缩是物质过程）。
5、梁氏钟慢尺缩绝对性原理
时空理论要求用时空变换式说明相对运动的两只钟哪只慢和相对运动的平行的两把尺哪把短。我们将符合哥白尼日心说的相对运动称为哥白尼运动，于是哥白尼日心说隐含的梁氏钟慢尺缩绝对性原理可表述为：相对运动的两钟（或尺），作哥白尼运动的钟（或尺）慢（或长）。应用该原理很容易判定上述动钟变慢实验和静尺缩短实验之结果，而结果的数学解释由梁氏变换作出。因此，下面的原子钟转盘实验可作为梁氏变换判决实验（即预言实验）：将相同的两只原子钟甲和乙分别固连于地面S上和转动的圆盘边上，开始时两钟同时拨零，然后钟乙跟随圆盘转动足够长时间后停下，钟乙停下后与钟甲比较，则钟乙变慢了。
6、光线弯曲非引力所为
设想在太阳参照系k上发射一小团光子，则它相对于k而言的轨迹为直线，但对相对于k作变速运动的参照系k’（例如地球）而言该光子团的轨迹一般来说是曲线（匀速直线运动与不共线的加速运动的合运动之轨迹为曲线）。因此，光线弯曲非引力所为〔7〕。k上的两条相交光线确定一个平面 ，这两条光线对 而言弯曲了，可见该平面 对 而言成了曲面 ，因此平面弯曲非引力场所为。
7、引力佯谬不成立
所谓Neuman―Zeeliger疑难，称为引力佯谬。根据万有引力定律和宇宙旋转说，我们可以建立地球附近各种参照系上的重力场场强方程（请参阅文献[1]），于是上述疑难不成立（实验也证明这一点）。北京师范大学物理系刘辽编的讲义《广义相对论》（上）说，上述疑难和万有引力定律不符合洛伦兹协变性是牛顿重力论的两个困难，也是爱因斯坦建立广义相对论（即爱因斯坦重力论）的出发点。可是，这些出发点不成立，说明广义相对论一开始就错了。实验证明万有引力定律成立，反证洛伦兹协变性不成立（即没有意义）。
8、爱因斯坦电梯实验和箱子实验
爱因斯坦电梯实验同文献[2]（P56）的箱子实验一样是不可操作的思想实验。电梯（或箱子）处于无重力参照系s0 中，电梯（或箱子） s′相对于 s0 静止时对其内部仅受万有引力作用的物体（称为自由物体）而言均相对于电梯（或箱子）s′ 静止（例如s′ 内空中的物体相对于s′ 静止）。设想 s′相对于s0 以匀加速度 -g上升，则 s′内的观察者将看到空间内所有物体都以加速度 g匀加速下落，放在磅秤上的质量为m的物体的“重力”为 mg，于是s′ 内的爱因斯坦得结论：“他自己以及箱子是处在一个引力场中”[2]，引力场场强为g 。其实，很容易证明这个结论不成立：取s0 为静参照系而 s′为动参照系，取s′ 内的自由物体为研究对象，应用加速度相加定理可知这些自由物体相对于s′ 的加速度（即相对加速度） a′与牵连加速度 ae（=- g）等值反向（此时绝对加速度即s′ 相对于s0 的加速度为零），即 a′=-ae= g。可见s′ 内没有引力场，上述感觉到的“重力”其实是秤对物体作用力（正压力）的反作用力（物体仅受该正压力而无重力）。到此可见，爱因斯坦对等效原理的论证不成立，对惯性质量和引力质量相等的论证[2]也不成立（随之广义相对性公设不成立），因此广义相对论不成立。
9、迈―莫实验
迈―莫实验干涉仪水平臂对地球参照系 K′ 来说没有缩短，因此反射水平分光束的反射点 M1和反射竖直分光束的反射点 M2 为同一个圆上的点（圆心就是两分光束分开时的P1 点，图略），因此两分光束没有光程差。由于水平臂对太阳参照系K来说缩短了，因此该圆变成了椭圆， P1 点和两分光束会合的 P2点成为椭圆的两个焦点（图略），于是有P1M1+M1P2=P1M2+M2P2 ，可见两分光速没有光程差。因此，没有干涉条纹的移动。这就是迈―莫实验的简单解释。文献[6]（P29）以为尺缩是同时性的相对性带来的时空属性而不是物质过程，文献[8]（P31）以为尺缩不是物质的真实收缩，这就都错了。
10、钟慢尺缩的力学机理
动钟变慢绝对性原理：相对运动的两只相同的钟，作哥白尼运动的钟慢。力学机理是：两只同种元素做成的原子钟（以该元素原子内周期性运动计时），一个置于地球上（称为动钟），另一个置于太阳上（称为静钟）;动钟受到的太阳吸引力恰好提供它跟随地球公转所需向心力，故动钟不受太阳吸引力影响;而静钟却受到太阳吸引力影响而走得比动钟快了（即周期性运动之频率较快）。因为钟慢有可积累性和原子钟使时间测量精度大为提高，所以动钟变慢实验具有可操作性。
静尺缩短绝对性原理：相对运动的两把平行的相同的尺，作哥白尼运动的尺长（因为另一把缩短了）。力学机理是：设想将迈―莫实验干涉仪水平臂（视为尺）等分为n段，则每段受到的太阳吸引力构成会聚力系而使相邻段之间相互挤压而相应收缩，故该水平臂对太阳参照系而言缩短了;可是，对地球参照系而言，该水平臂每段受到的太阳吸引力恰好提供它跟随地球公转所需向心力，上述会聚力系不能使水平臂相邻段之间产生相互挤压，故该水平臂对地球参照系而言没有缩短。因为尺缩没有可积累性，所以直接观察尺缩必须大尺度（例如水星绕日轨道的长度）。因此，很难找到可操作的尺缩实验（迈―莫实验是间接观察到的尺缩效应）。
11、实验方程
引入惯性力后得到的所谓质点相对运动动力学基本方程可表为
F+f e+ f k=ma ′或 mg +f e+ f k+Σ Fi= ma ′ （11-1）
其中牵连惯性力f e=-ma e ，科氏惯性力 f k=-ma k。因为惯性力不可测量，所以上式不可作实验检验，不是实验方程。文献〔3〕〔4〕应用上式解答S’系上的经典力学问题是没有物理意义的，这样的解答只能称为S’上的力学问题的数学解释。这些问题的正确解答只能由实验方程（0-3）式作出〔1〕。爱因斯坦错误地引入等效原理，企图使惯性力变为真实力。其实，若惯性力是真实力，则式（11-1）就成为实验方程，式（11-1）不是实验方程，反证惯性力是假想力（于是等效原理不成立）。另外，引入假想的惯性力，显然违反物理学是实验科学的本来意义。我们到S’上做质点动力学基本方程的实验，就会发现有式（0-3）而不必同文献〔3〕〔4〕那样凭空引入惯性力。
爱因斯坦提出所谓爱因斯坦重力场方程
Rμν+λgμν=-K（Tμν-12Tgμν） （11-2）
根本不可作实验检验，根本没有物理意义，只能误导人们将数学当成物理学。爱因斯坦不能从广义相对论两条基本原理推导出上式，说明广义相对论不成逻辑体系;广义相对论两条基本原理不成立，说明广义相对论根本不成立。
直接来源于可重复的可操作的实验之方程才能称为物理方程（有物理意义），又称为实验方程。由不可否定的公理（例如光速不变性原理）推导出来的方程（例如洛伦兹变换、梁氏变换和超光速梁氏变换）不是源于实验，没有物理意义，但与凭空想出来的不是推导出来的式（11-1）（11-2）不同，它可称为准物理方程（可给出相应一类物理学问题的数学解释）。
12、基本原理或基本定律愈少的理论愈好
爱因斯坦想不到只有一条基本定律的牛顿――梁氏力学是最好的（最简单的）经典力学，他也想不到只有一条基本原理的梁氏相对论和超光速梁氏相对论（基本方程分别为梁氏变换和超光速梁氏变换）是最好的相对论，他也想不到重力理论唯一基本定律是万有引力定律（基本方程是重力场场强方程）。到此可见：法国物理学家朗之万对爱因斯坦的评价“人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星”不成立，这样的巨星是牛顿;联合国将2005年定为世界物理年值得商榷。2005年在长沙召开首届全国民间科技创新发展研讨会，会议发表《长沙宣言》，梁氏的交流论文《重大的科学发现――梁氏两方程一原理》令人瞩目。上述 F合=m a合和梁氏变换以及钟慢尺缩绝对性原理总称为梁氏两方程一原理。
13、结论
13.1经典力学的唯一基本定律是牛顿――梁氏定律，基本方程是牛顿――梁氏方程F合=m a合 。经典力学是牛顿――梁氏力学而不是牛顿力学。
13.2相对论的唯一基本原理是光速不变性原理，基本方程是梁氏变换。超光速相对论的唯一基本原理是光速不变性原理，基本方程是超光速梁氏变换。
13.3重力理论的唯一基本定律是万有引力定律，基本方程是重力场场强方程。
13.4梁氏发现 Fv=m av和 F′=m a′导致要改写经典力学与经典物理学史，梁氏发现梁氏变换和钟慢尺缩绝对性原理导致要改写爱因斯坦相对论与现代物理学史。因此，牛顿――梁氏力学和梁氏相对论（总称梁氏理论）要改写世界科学史及世界大中学物理教科书，成为中华文化与中华科学空前辉煌的篇章。
参考文献
[1]梁尺峰，爱因斯坦对经典力学思考的错误，北京，《中国教育与教学研究》杂志，2014年第 期。
[2]A・爱因斯坦，杨润殷译，《狭义与广义相对论浅说》，上海，上海科学技术出版社，1964。
[3]北京大学物理系普通物理教研室，《普通物理学》力学部分，北京，人民教育出版社，1961，43-56。
[4]程守洙、江之永主编（上海市高等工业院校物理学编写组），《普通物理学》第一册，北京，人民教育出版社，1978，119-132。
[5]梁尺峰，爱因斯坦对相对论思考的错误，待发表。
[6]陈熙谋等，物理通报主编，《物理教学的理论思考》，北京，北京教育出版社，1997，24-30。
[7]梁尺峰，怎样解决加速运动领域的力学问题和相对论问题，载于郝建宇等主编《时空理论新探》，北京，地质出版社，2005，99-107。
[8]蔡伯濂，《狭义相对论》，北京，高等教育出版社，1991，49-74。
[9]张元仲，《狭义相对论实验基础》，北京，科学出版社，1979。
作者简介：梁尺峰（1942-10），男，广西桂平人，汉族，1966年毕业于广西师范大学物理系，广西桂平市下湾一中退休教师，改革开放才有机会研究牛顿力学和爱因斯坦相对论以及重力理论以寻找人生价值，几十篇，写有一本专著――《牛顿――梁氏力学与梁氏相对论》（时机成熟才能出版），要用牛顿――梁氏定律改写牛顿力学，要用梁氏变换改写爱因斯坦相对论。
与梁氏变换两方程要改写物理学教科书
实验和理论证明，经典力学唯一基本定律是牛顿――梁氏定律，基本方程是该定律之表达式 。应用该实验方程可解答任何一个参照系上的经典力学问题，不必引入惯性系和惯性力以及等效原理。牛顿第一定律不是实验定律而要扬弃，牛顿第三定律反映作用力与反作用力的关系而不是经典力学基本定律（该定律与基本方程 无关）。 包容了牛顿发现的地面参照系S上的实验方程 ，也包容了梁氏发现的相对于S匀速平动的参照系 上的实验方程 和相对于S变速运动的参照系 上的实验方程 。 的发现，证明伽利略相对性原理和狭义相对性原理不成立。 的发现，证明引入惯性力和所谓质点相对运动动力学基本方程是错的（该方程不是实验方程，没有物理意义）。因此，梁氏以牛顿――梁氏定律为基本定律，以 为基本方程，创立了适用于任何一个参照系的牛顿――梁氏力学（为牛顿力学修正之结果）。牛顿――梁氏力学取代牛顿力学，要改写大中学力学教科书。狭义相对性原理和等效原理不成立，说明从经典力学就发现狭义和广义相对论基本原理有错。
伽利略变换和洛伦兹变换都是两坐标系相对匀速平动时的时空变换，自然应该想到两坐标系相对变速运动时的时空变换――包容伽利略变换的低速梁氏变换和包容洛伦兹变换的梁氏变换。爱因斯坦误认为洛伦兹变换是最普遍的时空变换并错误提出洛伦兹协变性，说明他“天才的大脑”其实一般。时空理论（即相对论）要解答相对运动的两只相同的时钟哪只慢和相对运动的平行的两把相同的尺子哪把短的问题，应用梁氏变换可给出这些问题的简单的数学解释。另外，直线方程与非线性变换的梁氏变换联立可得曲线方程，可说明光线弯曲。因此，梁氏以光速不变性原理为基本原理，以梁氏变换为基本方程，创立了适用于相对运动的任何两个参照系的梁氏相对论（为爱因斯坦相对论修正之结果）。梁氏相对论取代爱因斯坦相对论，要改写大学相对论教科书。
爱因斯坦没有认识到重力理论的基本定律是万有引力定律，基本方程是重力场场强方程。他无法从广义相对论两条基本原理导出所谓爱因斯坦重力场方程，说明广义相对论不成逻辑体系。广义相对论两条基本原理都不成立，说明广义相对论是完全失败的重力理论。因此，白春礼主编的《科学世界》2005.6之封面写的“天才的大脑十人类100年的智慧”其实是错的。法国物理学家朗之万对爱因斯坦的评价――“人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星”，被梁氏否定了，这样的巨星是牛顿。
狭义相对论问世不到十年，北京大学物理系即开设相对论课程。梁氏变换问世已20年，该系老师在讲授相对论时敢讲梁氏变换吗？中国媒体及时报导2011.9.22欧洲粒子物理研究所“发现”超光速现象，但不敢报导超光速梁氏变换（可合理解释核聚变质量亏损）。《人民日报》2013.12.12第6版报导清华大学物理系薛其坤院士《在量子世界实现“中国梦” 》，但不敢报导梁氏在经典力学和相对论实现“中国梦”。
中国科学界不敢评价要改写世界科学史的牛顿――梁氏定律和梁氏变换，媒体也不敢报导之，说明社会缺乏公平和正义。有权势的有识之士，能响应号召――“促进社会公平正义”，能响应白春礼号召――“要创造一个鼓励创新、支持创新、保护创新的社会环境”，并非易事。为什么这样呢？
量子力学和广义相对论范文3
过去数十年来，物理学家一直在为量子力学跟重力理论的结合而奋斗，毕竟自然界中其他作用力的身世早已厘清且各就符位．例如电磁力就可以用光子的量子力学运动来描述。但是，若想以量子重力来描述两个物体问的重力，马上就会遇到困难：最后计算出来的解都是无限大。现在，美国加州大学们克利分校的物理学家侯拉瓦认为他发现问题所在了：这一切都跟时间有关。
更确切来说，问题在于爱因斯坦的广义相对论中空间和时间是如何结合的，众所周知．爱因斯坦了牛顿系统中绝对的时间观，并提出时间事实上是另一个维度，和空间紧密结合在一起，所形成的时空结构是会受到物质影响而弯曲变形的 问题在于，在量子力学中，时间仍旧维持着牛顿力学系统中那种超然独立的角色，是物质演出的舞台，而不会受到物质出现与否的影响，这两种时间的概念是不相容的。
侯拉瓦表示，解决方式就是在非常高能量的状态下，把时间跟空间断开，一如受量子重力主导的早期宇宙，侯拉瓦说：“我回到牛顿的想法，将时间和空间视为不对等之物”而在低能量状态，广义相对论便会从背景架构中浮现，将时间和空间重新缝合。
侯拉瓦以某些奇特物质改变相态的方式来解释这种广义相对论的浮现。举例来说，这就像低温液态氦的性质会发生剧烈改变，形成一种不具摩擦力的超流体．他以各种诡异相态转变的数学来建构他的重力理论，而且到目前为止都还可行，也能符合计算机仿真出的量子重力。
侯拉瓦的理论发表之后．等于为物理界打了一针强心剂当初就是爱因斯坦预测水星运动的准确度高于牛顿的重力理论，广义相对论才大获全胜。侯拉瓦的重力理论也能获得一样的成功吗?目前的答案似乎是旨定的。葡萄牙里斯本大学的罗勃等人，已经运用该理论正确描述出行星的运动，
量子力学和广义相对论范文4
大量的天文观测证据表明宇宙正处于加速膨胀时期.为解释这一现象,在广义相对论框架下,通常需要引入一种称为暗能量的未知的能量成分.最简单的暗能量模型是具有常数状态方程(w1)的真空能.这一模型能满足大多数的天文观测检验,但是面临着宇宙学常数问题和年龄问题.因此,人们很自然地去考虑更为复杂一些的情形.最流行的做法是采用Ricci标量的不同函数形式去替代爱因斯坦-希尔伯特拉格朗日量,即著名的f(R)理论.这一理论受到了非常广泛的研究.然而,f(R)理论的四阶方程使得它很难进行解析分析.与f(R)理论相类似,人们提出一种基于修改teleparallel引力的方案,即f(T)理论,来解释宇宙近期加速膨胀现象.最近,国外学者的研究表明,可以从海森伯非微扰量子化方法出发,得到修改引力理论.
根据这一方法,用场的算符代替场方程中出现的相应的经典场。然后,考察度规的量子涨落对宇宙演化的影响.显然,如果1,修改的拉格朗日密度近似为希尔伯特-爱因斯坦拉格朗日密度,也就是说这里考虑的修改引力近似为广义相对论.为了充分考虑度规的量子涨落对宇宙演化的影响,或者认真对待从海森伯非微扰量子化方法得到修改引力的方案,本文将考虑的所有可能取值.
1修改引力的场方程
对于拉格朗日密度(6),唯象考虑一种最简单的文献[10]中提出的情况。一般而言,应该是时空坐标的函数.对于这一比较复杂的情形,需要另起一文进行详细的讨论。文献[15~18]对能量-动量张量的不守恒情形进行了详细的讨论.如果1,量子涨落甚至可以抵消引力作用.但是,如果很小,度规的量子涨落的影响也就很微弱,拉格朗日密度(6)近似为希尔伯特-爱因斯坦拉格朗日密度.为了充分考察度规的量子涨落的影响,本文将考虑参数所有可能取值,并将在下一章进行详细的讨论.
2宇宙学上的应用
把修改引力的场方程(13)应用到均匀各向同性的Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker(FLRW)宇宙在广义相对论中,所有这些不同形式导致相同的场方程和能量-动量张量.2种拉格朗日密度,mLp和mL,得到广泛地讨论和应用.文献[16]详细讨论了物质的拉格朗日密度mL作为物质能量密度的任意函数的情形.在本文研究中,物质的拉格朗日密度在场方程中出现,所有相关结果都很大程度上依赖于mL的选择.一般而言,物质的拉格朗日密度没有一个唯一确定的选择,而且仍是一个值得研究的问题.按照文献[14]的做法。有了这些基本方程,现在可以来考察度规的量子涨落对早期宇宙、暴胀、辐射主导、尘埃主导和暗能量主导时期的影响.首先考察量子涨落对很早时期的宇宙的影响.从方程(21)和(22)很容易看出,发现可以满足条件H0和H0,也就是说可以实现反弹宇宙,从而避免大爆炸奇点.如果只有正常物质,如辐射,这反弹宇宙不可能在广义相对论中实现.
3讨论和结论
量子力学和广义相对论范文5
1687年：牛顿引力
艾萨克・牛顿出版的《自然哲学的数学方法》一书中对引力进行了全面描述。这为天文学家预测行星的运动提供了精确手段，但它并非没有瑕疵――无法精确地计算水星的轨道。所有行星的轨道运动，在公转的近日轨道上受到其他行星引力的拖行而产生微动，而水星的轨道问题在于其进动量与牛顿理论预测不一致，计算上这仅是一个很小的差异，但对于天文学家来说已经足够大到能够感知到它的存在了。
1895年：火星行星
为了解释水星这一星体的古怪行为，法国天文学家奥本・勒维耶建议选择一个看不见的行星――火星，其运行轨道接近太阳。他认为来自火星的引力会影响水星的运行轨道。但是，通过反复观察，没有发现火星影响的迹象。
1905年：狭义相对论
爱因斯坦的狭义相对论震惊了整个物理学界。此后，他开始将引力引入到他的方程中，这导致了他的下一个突破。
1907年：爱因斯坦预言引力红移
受广义相对论发展过程中的思想影响，爱因斯坦第一次提出了引力红移理论。所谓引力红移指的是在强磁场中原子激发出的光逃脱引力时，光的波长会变长。变长的波使光子移动到了电磁光谱的红外端。
1915年：广义相对论
爱因斯坦发表了广义相对论，首次取得的巨大成功是精确预测了水星的轨道，包括其以前难以理解的进动。该理论还预言了黑洞和引力波的存在，虽然爱因斯坦本人也很难理解它们。
1917年：爱因斯坦的受激辐射理论
1917年，爱因斯坦在发表的关于辐射量子理论的论文中表明，受激辐射是可能发生的。他提出激发原子可以通过光子的自发辐射过程释放能量，从而返回到较低能量状态。
在受激辐射中，入射光子与激发原子相互作用，使它移动到一个较低的能量状态，释放与入射光子方向、相位及频率均相同的光子。这一过程对于激光的发展来说是可行的（光通过受激辐射发射放大）。
1918年：参考系拖拽预测
奥地利物理学家约瑟夫伦泽和汉斯・蒂林认为，一种处于转动状态的质量会对其周围的时空产生拖拽的现象，这种现象也被称作惯性系拖拽。
1919年：首次发现引力透镜
引力透镜效应是光线经过大质量物体周围时产生的弯曲，例如一个黑洞，允许人们看到处于它背后的物体。在1919年5月日全食时，科学家观察到太阳附近的恒星轻微错位，这表明光弯曲是由太阳的较大质量所引起的。
1925年：首次引力红移的测量
美国天文学家沃尔特・亚当斯观察了大质量恒星表面发出的光，并检测到红移，验证了爱因斯坦的预言。
1937年：星系团引力透镜预测
瑞士天文学家弗里兹・扎维奇提出，整个星系团可以看作一个引力透镜。
1959年：引力红移的验证
美国的庞德和雷布卡测量了哈佛大学杰弗逊物理实验室的塔顶和塔底的两个辐射源的相对红移，确切地验证了引力红移的存在。通过这个试验，他们精确测定了光从塔顶传输到塔底过程中能量的微小变化。
1960年：受激辐射的激光发明
加利福尼亚州休斯研究实验室的物理学家西奥多・梅曼，制造出了世界上第一台激光器。
20世纪60年代：黑洞的首个证据
20世纪60年代是广义相对论复兴的开始，此时才发现银河系是一个中心存在黑洞的星系，该星系被黑洞的巨大引力所吸引。目前证实在所有大型星系中心都存在着质量较大的黑洞，当然也有一些质量较小的黑洞在星际间漫游。
1966年：首次观察到引力时间延迟
美国天体物理学家欧文・夏皮罗认为，如果广义相对论成立的话，那么无线电波会受太阳的引力作用而减缓，从而出现时间延迟，因为信号在太阳系周围受到了反弹。
在1966―1967年，科研人员检测到从金星表面反射的雷达波束，并且测量了信号返回地球的时间。测量的延时结果有力地证实了爱因斯坦理论。
目前，研究人员将时间延迟应用在宇宙领域，通过观测在引力透镜图像间闪烁光的时间差来测量宇宙的膨胀。
1969年：引力波的误检
美国物理学家约瑟夫・韦伯的性格颇为叛逆，他声称自己第一个通过实验检测到引力波的存在，但他的实验结果永远没法重复。
1974年：引力波的间接证据
天体物理学家约瑟夫・泰勒和拉塞尔・赫尔斯发现了一种新型脉冲星：一个二进制脉冲星。脉冲星轨道衰减的测量显示它们失去的能量与广义相对论预测的数据一致。这一发现使他们获得了1993年诺贝尔物理学奖。
1979年：星系引力透镜的首次观测
观察者丹尼斯・沃尔什、鲍勃・卡斯韦尔和雷威曼观测到了2个相同的准恒星天体（或“类星体”），而它原来是2个独立图像的一个类星体，这样首个河外星系引力透镜被发现了。20世纪80年代以来，引力透镜效应已成为宇宙中强大的探测器。
1979年：激光干涉引力波天文台（LIGO）获得资助
美国国家科学基金会资助建设激光干涉引力波天文台（LIGO）。
1987年：虚惊一场的引力波误报
误报源自美国马里兰大学约瑟夫・韦伯的直接探测，他设计出一种天线来检测引力波，这种天线是一根圆柱形铝棒，如果有引力波垂直扫过来，就会激发铝棒振动。这种振动虽然很微弱，但是它可以通过该棒中间附加的压电应变转换器变换为电信号而被检测到。他声称通过天线接收到了来自超新星SN 1987A的信号，但此后证明是错误的。
1994年：LIGO开始动工建设
经过漫长的过程，LIGO终于在汉福德、华盛顿和路易斯安那州开工建设。
2002年：LIGO开始第一次搜索引力波。
2002年8月，LIGO开始搜索引力波存在的证据。
2004年：参考系拖拽探测
美国国家航空航天局发射引力探测器B来测量地球周围的时空曲率。探测器上装有陀螺仪，通过对陀螺仪自旋方向的探测，可以测量时空在地球的存在下是如何发生弯曲的，并进一步测量地球的自转是如何“拖拽”周围的时空随之一起运动的。
数据分析显示，引力探测器B上的陀螺仪按一定速度进动，这正好符合爱因斯坦的广义相对论。
2005年：LIGO搜寻结束
经过5年的搜索，LIGO的第一阶段以未探测到引力波结束。此后传感器经过临时改装以提高灵敏度，被称之为增强LIGO。
2009年：增强的LIGO
升级版的增强LIGO开始对引力波进行新的搜寻。
2010：增强LIGO搜寻结束
增强LIGO未能检测到引力波。此后经过一个关键的升级，全新的高级LIGO准备开始工作。
2014年：高级LIGO升级完成
全新的高级LIGO完成安装及测试，并且准备开始新的搜索。
2015年：第3次引力波误报
美国哈佛史密松天体物理中心宣称他们在宇宙微波背景辐射中发现了B模式极化信号。他们指出，这可能是原初引力波留下的印迹，为宇宙早期的暴胀提供了首个直接的证据。然而，这一结果遭遇诸多质疑。此后，他们在论文中承认，无法排除观测到的信号源来自银河系中尘埃干扰（而非原初引力波）的可能性。
2015年：LIGO再次升级
先进的LIGO开始引力波的又一轮搜索，其探测灵敏度是原始LIGO的4倍。在2015年9月，检测到可能是由2个黑洞相互碰撞发出的信号。
量子力学和广义相对论范文6
——编者
美国物理学家L·斯莫林在《物理学的困惑》一书中说，从18世纪80年代到20世纪70年代，我们对物理学基础的认识，大概每10年就有一次大的进步，但自20世纪70年代以来，我们对基本粒子的认识还没有一个真正的突破[1]。许多科学界人士和我们一样，不禁要问：物理学到底怎么了？
1. 物理学的现状与困惑
拨开历史的长卷可看到，自16世纪自然科学从神学中解放出来以来，物理学经历了波澜壮阔的发展历程。伴随经典力学和热力学的创立与发展，人类开始了轰轰烈烈的机械工业革命；伴随爱因斯坦相对论和量子理论的创立与发展，人类构建起了日新月异的现代文明。这就是让无数人为之奋斗的物理学，正是它推动着人类的发展进程！
然而，自上世纪70年代后，宇观方面物理学面临越来越多的挑战和课题，迟迟得不到解决，如暗物质和暗能量至今给不出合理的解释；微观方面提出的攸关量子场论命运的诸多预言得不到检验，如希格斯粒子、质子衰变等至今尚未找到或证实。
问题还远不止这些。随着现代物理学的发展，它与经典物理学间的矛盾日趋尖锐，本想通过深入研究找到弥合矛盾的方法，然而得到的却是事与愿违的结果，变得更加难以调和；再比如，尽管200多年来科学家们已竭尽全力，但引力常数G的测量精度仍然是物理学基本常数中最差的，等等。
针对物理学面临的问题和困境，一些新的理论被纷纷提出，然而这些理论大都昙花一现。卡鲁扎—克莱因理论、爱因斯坦统一场论、SU（5）大统一理论、超对称理论等都先后失败的事实表明，物理学陷入了重重困惑之中。
2. 导致物理学现状的根源
斯莫林断言，“弦理论、圈量子引力和其他方法，它们都还没有到达那个前沿。我相信我们还缺失某个基本的东西，我们还在做着错误的假定。我猜它涉及两个因素：量子力学的基础和时间的本质……我越来越觉得量子理论和广义相对论在深层次上都把时间的本质弄错了。”[1]
如果将人类认识自然界的方式放在微观、宏观和宇观的尺度轴上进行观察，不难发现人类认识自然界，既不是从微观粒子开始的，也不是从宇观的天体、星系开始的，而是从宏观的身边事物开始的，而后才开始向微观和宇观延伸。
在宏观领域，根据万有引力和库伦力的作用力性质不同，对物质的表述分别用质量和电荷两个概念。然而，我们从宏观所看到物质的性质是由物质微观层面上的性质所决定的。事实是，我们根据宏观上建立的质量、电荷概念来推导物质在微观上的性质，显然这是本末倒置了。
宏观环境的物质模型是我们动用所有的感官才建立起来的。然而到了微观和宇观环境，我们只能靠视觉观察，探索者唯一倚重的知识只有宏观经验，而问题恰恰就出在这里。比如，在广义相对论的框架下，我们得到了一个宇宙大爆炸模型，然而发生宇宙大爆炸的奇点却不适用任何物理定律。我们从已知导出了一个未知事物，单从逻辑上看就已经不自洽了。
牛顿力学和电磁理论在宏观应用上的巨大成功，使人们不假思索地将质量和电荷直接引入到微观和宇观领域，导致更多物质概念被提出，如图1所示。可见，将宏观体验直接推广到宇观和微观是导致物理学陷入困境的根源。
3. 突破物理学困境的方法
由于我们用宏观物质层面的概念去认识微观现象难以理解，于是为了能从宏观知识推导出微观现象的规律，不得不借用复杂的数学工具，由此物理学就被数学化了。
广义相对论和量子理论都带有浓重的数学化色彩。由于错误的根源在于宏观概念的超范围运用，导致数学化了的物理学最终还是走进了死胡同（当然，数学也被殃及了）。比如，量子电动力学用拉格朗日的数学方程来描述，后来遇到发散困难后，不得不打上一个“重整化”的补丁；当发现跟费米理论不相协调后，又不得不再打上“规范不变性”的补丁；规范不变性与对称性相对应，当发现许多粒子不具有这种对称性时，又不得不再打上一个“对称性自发破缺”的补丁。
然而这个经过多次修补后的规范理论，自上世纪70年代以来，不论在解释或预见基本粒子的新性质方面，还是在解决它所面临的概念困难方面，再也没能取得进展。
可见，物理学的数学化并不能将误入歧途的物理学拉回到正确的轨道上来。美国物理史学家曹天元教授在《量子物理史话》一书中说，“以往人们喜欢先用经典手段确定理论的大框架，然后再从细节上做量子论的修正，这可以称为‘自大而小’的方法……现在人们开始认识到，也许‘自小而大’才是根本的解释宇宙的方法。”
弦理论是采用“自小而大”方法的一个理论，它几经沉浮最终脱胎换骨成有11个时空维度的M理论。在科学界经历了一系列的失败后，霍金和大多数科学家认为M理论是大设计的唯一候选者。但三维空间中的动态宇宙，在四维时空中成为爱因斯坦的静态宇宙——一种永恒的“存在”，而这种永恒的“存在”本质上是不存在，因为永恒“存在”意味着时间静止了，而存在的时间为零的事物是不存在的。
既然四维时空意味着不存在，那么5个维度下的宇宙就更不存在了，更何况多达11维的宇宙。可见，用弦理论这根“弦”是无法将广义相对论和量子理论连接起来的。
4. 系统相对论的物理统一方法
系统相对论[2]采用“自小而大”的研究方法，从cn粒子假设入手，逐步架构起各种粒子、物体和天体。通过流体态物质和刚体态物质定义与分类，系统相对论将自然界形态各异的所有物质统一在能量的概念下，从而实现了物质的统一。
从微观到宏观、宇观，整个宇宙是一个不可分割的有机整体，如图2所示。适用于宇观高速领域的广义相对论和适用于微观的量子理论，如同黑辐射理论中的适用于高频段的维恩公式和适用于低频段的瑞利-琼斯公式一样，它们都是不正确的；所不同的是，后者在普朗克公式中可以退居到“近似”的地位上；而前者只能退居到“相当于”的地位上，因为它们的基础存在问题，如时间概念。
时间是物体运动速度大小的一种度量方式，表达的是物体的运动性质和存在性。可见，时间、质量、电荷都是一种物理量，是我们理解和描述事物的一种方法和工具，而不是事物本身。
5. 结束语
笔者认为，通过修正现有理论的方法是不可能解决当前所面临的各种挑战和课题的；只有改变原来的“自大而小”的研究方法，首先找到真正的宇宙之“砖”，才能构建出一个真实的宇宙，进而一揽子解决当前所面临的各种挑战和课题。
参考文献：
[1] L·斯莫林[美] 物理学的困惑·李泳译· 长沙：湖南科学技术出版社，2008 P64，P252
[2] 刘泰祥·系统相对论·北京：科学技术文献出版社，2012
