博文

纪念广义相对论诞生100周年

已有 4502 次阅读 2015-12-11 16:02 |个人分类:《科学通报》|系统分类:论文交流| 广义相对论, 专题

《科学通报》2015年第34期出版“纪念广义相对论诞生100周年”专题，包含3篇进展，6篇论文，敬请关注——

编者按

2015年是爱因斯坦提出广义相对论100周年。广义相对论的提出是人们对时间、空间和引力本质认知质的飞跃。100年来，广义相对论经历了时间的考验，从亚毫米到太阳系的尺度，广义相对论得到了精确的检验.甚至在宇宙学的尺度上，该理论也得到了检验。广义相对论对引力理论、相对论天体物理和现代宇宙学的发展起到了极其重要的作用。

广义相对论最惊奇的预言之一是黑洞的存在。现代天文观测表明银河系中就存在这种非常特殊的天体。人们相信宇宙中的每个星系中都存在至少一个黑洞。自1916年施瓦西(K. Schwarzschild)提出第一个静态球对称黑洞解，1963年克尔(R. Kerr)提出转动的黑洞解，黑洞物理一直是引力理论的重要研究方向。1973年贝肯斯坦(J. Bekenstein)提出黑洞具有熵的概念，1974年霍金(S. Hawking)发现黑洞具有热辐射。黑洞霍金辐射的发现对信息守恒提出了挑战。在黑洞物理中，广义相对论、热力学、统计物理、量子力学、量子信息等学科纠缠在一起，人们相信，黑洞信息丢失佯谬的解决对量子引力理论和相对论量子信息理论的发展会起到关键性的作用。此外，黑洞的熵正比于黑洞视界面积这一事实，使得诺贝尔物理学奖获得者胡夫特(G.‘t Hooft)在1993年提出引力具有全息性质的概念；1997年底马达西那(J. Maldacena)基于超弦理论的发展提出了AdS/CFT对偶性(反德西特(AdS)时空上的量子引力理论等价于其边界上的共形场论(CFT))。AdS/CFT对偶性的提出是引力全息性质的一个漂亮实现。引力全息性质的发现是人们对引力本质认识的进一步深化，正如菲尔茨奖获得者威腾(E. Witten)所言: “Real conceptual change in our thinking about gravity”。尽管爱因斯坦的广义相对论是人类对引力认识的巨大进步，但它肯定不是引力的终极理论，对引力本质的认识还有待人们的进一步深刻思考。正如为庆祝Science诞生125周年，Science杂志提出了125个有待解决的基础科学问题，其中之一就是“引力的本质是什么”。

另一方面，随着COBE，WMAP和PLANCK卫星对宇宙微波背景辐射的精确测量，基于广义相对论的宇宙学进入了“精确宇宙学时代”，对宇宙学参数有了一个精确测量。人们对宇宙的构成和演化有了一个“和谐”模型。现在的宇宙在极早期经历了一个“爆胀”时期，目前正在加速膨胀当中。现在的宇宙由大约5%的重子物质、27%的暗物质和68%的暗能量组成。但是什么驱动了宇宙早期的爆胀、暗物质由什么成分构成、暗能量的本质是什么等问题仍是理论物理和宇宙学目前面临的巨大挑战。

广义相对论的另一预言是引力波的存在。哈瑟(R. Hulse)和泰勒(J. Taylor)对脉冲双星(PSR1913+16)轨道周期变化的精确测量间接证实了广义相对论的引力波预言。二人于1993年获得了诺贝尔物理学奖。随着现代科学技术的发展，基于激光干涉原理的地面引力波直接探测，如aLIGO灵敏度在过去的几十年有了极大的提升，空间引力波探测项目，如eLISA正在建设当中。为进一步精确检验广义相对论和探测引力波，中国科学家提出了“天琴计划”。相信在不远的将来，人们能够直接探测到引力波。

为纪念爱因斯坦提出广义相对论100周年这一物理学界重大盛事，中国物理学会引力和相对论天体物理分会联合中国科学院理论物理研究所、中国科学院大学等国内外相关单位于2015年5月4~8日在中国科学院大学和中国科学院理论物理研究所举办了国际引力和宇宙学学术研讨会/第4届伽利略-徐光启会议。中国物理学会引力和相对论天体物理分会也于2015年6月21~26日在杭州召开年度学术交流会。