宇宙中的狭义与广义相对论地位

1）引力的量子化与相对论

引力的量子化是目前物理学中的一个艰难的根本问题，历史上耗时数十年以上的引力正则量子化和协变量子化等方法，皆因遇到不可克服的困难，先后逐一宣告失败或停止了下来。圈量子引力问世后，为引力量子化在新体制下的开展，提供了深入探索的条件。目前，虽然尚不存在完整公认的引力量子化理论，但关于这一问题的探讨，已经有了新的开端。双变量度量理论，作为宇宙空时与引力的完整统一理论，除阐明了关于空时的量子化图景之外，对引力的量子化也做了与其他引力量子化不同的自身体制下的新探索[5]。这里将主要线索与取得的结果介绍如下。

通过本书的介绍我们已经明确，在同空时的关系上，引力与强、弱、电磁三种力之间存在着不同，一成不变地使用这三种力的量子化方法，已经得不到良好的结果。量子化指的是微观尺度下的量子特征，最为基本又最具代表性的根本理论，是力学量的量子化产生的量子力学与场的量子化产生的量子场论，它们是认识物质世界的基础。利用量子场论中发展出的规范场理论中的量子化方法，可以把电磁、弱和强三种相互作用进行量子化。它们的量子化，有的是从宏观尺度的经典理论切入到微观，实现的量子化；有的则是直接在微观尺度建立的量子化理论。对于统一理论中的引力而言，它横跨了微观与宏观尺度，它的微观性状与宏观形态之间，我们已经做了贯通。在微观，第4章已对引力扰动的生成、空间分布与时间跃迁，进行了量子化描述。这种描述实际上就是对引力进行量子化的开始。它描述的是无相互作用条件下自由引力扰动的微观特征，我们称其为引力量子化的第Ⅰ阶段。在宏观，对双变量理论而言，引力以统一理论中的引力方程为代表，参予支配着物质世界。求得的引力方程的作用量（见（5.19）式），按量子场论的一般规律，一方面决定了双变量理论中引力的运动规律；一方面也应当孕育着这一引力理论进行量子化的依据。

这里指出，对于双变量统一理论中的引力而言，事实也确实是如此。它虽然与其他三种力有很大不同，但它经过施以一定的措施、并充分考虑双变量理论的引力与空时的特殊关系之后，仍可采用适于这种引力的规范场协变量子化方法，实施引力量子化的第Ⅱ阶段，即引力扰动相互作用的量子化与重整化阶段。其根本原因是，这一统一理论中含有的空时和引力两部分，虽然各自具有独立的本源，在宏观又具有不同的运动规律，而且量子化也是各自分开进行的；但研究表明，在二者量子化的水平上，它们之间可以存在联系。空时M可以在引力量子化和重整化过程中向其输入来自M自身的动力学特征及M量子化的信息，这不仅可使引力实现量子化，而且还可用以消去协变方法使引力量子化出现的各种发散。其根本原因是由于空时与引力进行了分离表述，这使空时M不仅有了由等效原理赋予自身的Lorentz规范不变性、微分同胚变换导致的度量可变性，而且还在几何上服从G-B定理的掌控。从而使得空时M提供的空时规范场的动能（见（5.10）式）可以演绎成空时的两个曲率平方项，进入到作用量（见（5.16）式）之中，并能够在这一理论的引力部分完成量子化之后，被纳入其重整化程序之中消除遇到的所有发散。这样，便展现出了双变量理论中引力部分的完整量子化程式与结果。

也就是说，双变量理论与其他理论不同，它在完成这一引力量子化和重整化的过程中，是把空时、引力扰动以及空时M的对称群SO（3，1）看成了一个完整的规范体系，并按规范场量子化的程式，由它们提供引力量子化的诸要素，来进行引力相互作用的量子化（即引力量子化的第Ⅱ阶段）。所采用的方法是Faddeev-Popov的规范场量子化方法，其中的规范场是引力扰动，规范群则是引力扰动对应的广义相对论意义下的微分同胚群。然而，需要指出的是，这一量子化过程中，是由引力量子化的第Ⅰ阶段中所伴随的空时M的度量可变性以及等效原理导致的空时M的局部对称性，使得这种方法能够得以全面进行，并最终消除了所有发散。这种量子化方法可在双变量体制下，利用规范场手段，独立和完整的完成。顺便指出，引力量子化研究史上，与这种方法类似的是高导数引力的量子化，以其中的由Stelle提出的4—导数引力的量子化程式，最为接近。不过，除存在诸多原则不同外，必需指出的是，4—导数引力那里由于空时是非量子化的，所以只能从宏观入手，利用关于引力扰动hμν（x）的4—导数项构成消除发散的抵消项，虽然发散可以全部被消除，但留下的问题是，理论中存在负能引力子。若消去这种物理学中并不存在的引力子，将会导致破坏S矩阵的幺正性。

双变量空时与引力统一理论是在实行空时量子化之后，在不同体制下利用空时量子化向引力量子化提供的完整机制与信息，即利用作用量中空时规范场的动能项

在G-B定理下被另外两曲率平方项

代替的方法，在量化子阶段Ⅱ中，消去了量子化过程中的这种发散。如此发展出的双变量统一理论的引力部分，不但可以保留广义相对论的面貌[6]，而且通常类似方法量子化过程中负能粒子的出现，以及S矩阵幺正性的可能破坏等问题，将不复存在。即，这一方法将以双变量的全新体制重解和覆盖4—导数引力的量子化。

这里应当指出的是，作为量子动态宇宙基础的双变量度量理论，不仅可以用不同的攻略从宏观深入地发展现有理论描述的空时与引力间的关系，而且在微观空时与引力量子化的研究上，也可做出具有实质意义的推进。

需要说明的是，在空时某区域使用（6.5）式的方法消去引力发散后，若得到的空时度量恒为Minkowski度规ημν，则这将是双变量理论的一种特殊状态，即量子化临界状态。这表明，这一区域的引力可形式上首选广义相对论作表观经典表述。不过，其他空时区域引力与空时的性状，并非注定如此。就是在这样的特殊区域，与广义相对论不同的是，其中的空时与引力已被双变量理论进行了量子化，而且，作为广义相对论背景时空的Minkowski空时M'，是量子化产生的一种表观结果[7]。从而说明，在双变量体制下，广义相对论是这种理论处于量子化临界状态时的一种经典表观理论。广义相对论提供的只是对该体制下这一特殊状态的关于引力的表面唯象描述并被嵌入其中，它本身并不能涉及该体制内在、微观和量子化的描述。不过，在内在量子水平上，通过引入空时信息，它是可以使引力量子化的。这里指出，这样一些来自微观的结果，不利用双变量，只通过广义相对论自身，是无法得到的。如上论述表明，空时的状态是自然演绎的结果，目前得不到是由物质直接决定的结论。

对于人类而言，临界状态可能是一种能量最低的稳定态（空时中聚集的曲率能量为零，只有张量Θμν可以打破它）。人类可视这种状态是一种“永恒”与“一切”；但对于无限宇宙而言，临界状态可能只是它的一种自然选择（或沉淀）。我们不防设想，宇宙最一般的状态，可能无有人类了解到的现实秩序。宇宙中的所谓秩序，是其自身演化的自然结果。人类目前了解到的这一宇宙区域，可能是处于宇宙中量子化临界状态；但也不排除并非是处于这种状态，而是处于与其极其接近的某种一般宇宙状态（或空时度量效应的某种特殊状态）。由于这种差别在我们面前显现得十分微弱，当前物理学实验尚无法发现这样的差别。但当离开人类活动所涉及的区域而面向无穷大宇宙尺度时，双变量理论认为，应当首先用一般的双变量理论进行探索。那里可能蕴藏着相对论无法解释的宇宙现象。自然，在那里，不排除会另有选择。

也就是说，双变量理论认为，空时与引力有如宇宙的两支翅膀，“能量”与“物质”是支持它飞翔的普因。物理学已撩开了引力的面纱；而对于空时，则依稀陌如路人。

2）空时体制与广义相对论(www.xing528.com)

双变量度量理论研究表明，空时与引力的统一，并非是“合而无分”的混同，而是无论在何种宇宙尺度，二者都是作为不同要素的相互间组合式的统一。目前研究条件下，该理论认为，尽管空时与引力之间存在着深刻的联系（含广义相对论中存在的联系），但这种联系从未涉及二者不可区分的融合甚至相互间的转化。简言之，它们的统一是一种“合而不同”的相对独立的统一；它们的分解，则是一种彻头彻尾的明确分解。双变量度量理论，将对这种统一与分解，给出彻底的解析演绎，并揭示它的意义。

空时M的激发与跃迁生成机制，在不引入其他假设条件下，不能保障使它的度量保持不变。在无背景的条件下，从微观入手发展空时与引力的理论，目前只能是将相对论作为其宏观特殊状态或极限有效理论面对并涵盖，同时做出新的预言。然而，无论狭义还是广义相对论，都认为（纯）时空只有一种，那就是Minkowski时空M'。而且，理论中都没有使M'自身弯曲的任何有效信息存在。从而，当由双变量度量理论从微观开启对空时与引力的研究时，则必须以空时M具有可变度量ημν（x）作为理论探索的根据与起点，才不致遗漏空时与引力二者来自微观创生的原始基因（也为明确狭义与广义相对论的地位创造了条件）。这样一来，对于空时M而言，它的度量ημν（x）的改变，则表明M自身将经受一种以M'为平坦摹本的拓扑变换，这种变换正是相对论所从未涉及到的。尽管由相对论已建立了关于宇宙空时与引力庞大的理论体系，但空时M度量的这种改变性质，可能在更深层次上具有决定着现实物理世界背后的宇宙图景及其密切相关的演化的作用。

若认为空时M在任何状况下（含物理学已发现和尚未发现的状况），都是一种纯关系，并不具有任何物理作用与效应，则可将其通过施加一微分同胚变换，变成平坦空时M'。以M'为背景，引入引力扰动hμν（x）后，存在着利用Riemann几何建立引力理论的可能。如果空时M确实如此，就只能认为，广义相对论正是这种可能性的产物。或者说，可以把广义相对论理解为，就是在这种条件下诞生的（以往对广义相对论的理解，就属于这种情况）。不过，广义相对论作为一种这样的理论，它将不具有对空时M进行描述的信息储藏。正如本书所述，这种意义下的广义相对论，并不能使引力实现量子化，从而并不是一种具有完整意义的物理理论。

按双变量度量理论目前的探讨，若认为空时M将具有物理作用与效应（比如，将向引力量子化输送度量信息，以消去发散），正如本章节6.3之1）中所述，广义相对论在这样的条件下，可被视为是作为引力量子化的结果，在宏观展现的一种唯象临界引力理论。广义相对论，将是空时M的度量ημν（x）=εμν（x）ημν与引力扰动hμν（x）共同演绎过程中，出现的一种标志性恒定结果。这一结果，是双变量度量理论对相对论的一种全面空时意义下的认定和解释，也是它的重要物理预言之一。只不过是，在广义相对论中，只存活了描述引力的基因，描述空时的基因，一直被冻结着。

双变量度量理论，把狭义与广义相对论看成是它构造的宇宙空时与引力分别选择的一种标志性的秩序。理论中，空时M生成机制的描述，为宇宙改变这种选择和另外进行这种选择，提供了解析探索的开端。空时M度量改变的研究，将是对作为宇宙背景的世界基本质地开展的深入和全面的探索。它的功能与效应，不仅明确了广义相对论的地位与作用，而且还展现了空时与引力的完整统一体制。广义相对论是作为描述引力的理论，从世界表层嵌入在该体制之中。这里指出，广义相对论只作为一种极限，将无法全面表达原始基因的作用。如果说，通过引力扰动的有无与改变，可以看到狭义相对论在世界中的地位与作用；那么，通过空时度量的有无与改变，则可以透视到广义相对论在世界中与空时的关系以及它在世界的变量演变中所处的地位与作用。正如我们指出的，广义相对论只是一种关于引力的宏观理论，除引力之外的其他可能物理效应，它并没有感知能力，也无从加以解释。从而，这一双变量理论将在更加深刻的宇宙层次以更加隐秘的方式，同时揭示支配着大千世界的内在和表观演绎的密码，并可能产生新的物理。

3）超光速及空时奇异现象

首先指出，双变量空时与引力统一理论描述的量子动态宇宙，并不排斥超光速的存在以及空时中各种奇异现象出现的可能[8]，而是在现有体制下，为这些现象的存在留下了可能的理论延展空间。也就是说，从理论的直接逻辑关系而言，它们的出现，并不一定需要更多的另外假设，也并不一定与量子动态宇宙的理论体系相矛盾，而是它们的存在展现的将是这一宇宙图景的现象多样性与理论的深度统一性。

我们已指出，狭义和广义相对论分别是在空间时间携手创生世界时，二者延展性间存在的节律SR为恒定的条件下的一种空时和引力的理论。无论是狭义还是广义相对论，其中的空时都是通过坐标系揭示的一种关系。这是一种在创生4维空时之初的原始空时关系被固定下来的条件下，呈现出的一种可被连续世界感知的关系。而从圈量子引力看来，这种空时关系是由主控空时的Hanilton约束（或以其为代表）决定的。在能够深入到对空时的量子尺度的描述之前，这种关系是无法被揭示的并被认为是永恒不变的。但双变量理论认为，当以Hamilton约束为代表的对宇宙空时演化节律的控制一旦发生改变时，决定广义相对论的恒量SR将变成新的恒量，广义相对论的体制将可能被改写或被打破，而光速也将可能发生改变。从而对该理论而言，超光速等现象在宇宙中的存在，并不造成概念上的过度难解，而且，这种现象的存在在一定程度上，可作为统一理论的一种预言。

超光速的世界，可能存在于远离地球的宇宙深处，或存在于目前宇宙观测尺度之外以及更远的趋向无穷大的宇宙尺度。在这样大的尺度上，不能排除超越目前人类智慧的宇宙理论存在的可能，当然，也不能排除人类生存的空时中存在有超光速速率渠道。由于量子动态宇宙是由双变量理论来描述其空时与引力的统一理论，双变量度量gμν（x）中的变量εμν（x）和hμν（x）之间，将存在相互叠加、抵消等作用。这样的作用是相对论中未曾演绎过的，这种作用将可使组合度量gμν（x）发生远远超过广义相对论度规gμν（x）所能产生的改变。故，这为相对论框架内无法解释的宇宙空时现象的存在，提供了其存在的自然性，并对其进行解释的可能性。例如，不排除由于组合度量保持一种类似局部Minkowski度规的状态不变，或被局部总体抵消而为零，在宇宙中会产生物体的“零引力运动”，或“隐循运动”，

也不排除这种运动速度会是十分巨大的可能。同时，在浩瀚无垠的宇宙之中，也会存在着高级智慧生命相互派送具有生命特征的“人造智能生物”进行探访的可能，诸如此类等等，这里不再多述。不过，需要指出的一点是，双变量度量理论虽然对奇异宇宙现象的存在，持开放态度；但并不认为，目前已发现了外星生命造访过地球足够和清晰的证据。

总之，我们认为，目前宇宙学理论无法解释的宇宙现象以及可能的未知奇异现象，是有多种多样的存在可能的。它们的存在，在双变量统一理论中，并不意味着对相对论的否定，而是把相对论连同它描述的世界，看成了理论中自然选择的一种秩序。从而，人们对这些现象的认识也将是无法预言尽头的。