引力论和宇宙论
Gravitational theory and Cosmology
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量子理论与相对论是二十世纪物理学两大支柱，也是二十世纪物理学所取得的最辉煌的成果。然而，对于爱因斯坦本人最为看重的广义相对论研究，其进展不能令人满意。
广义相对论的困难有三：1、引力场的量子化至今尚未解决，即使引力场与描述其它相互作用的规范场的统一亦尚未做到。2、彭若斯和霍金提出的奇性定理，产生的奇性困难，即时间有开始与终结。3、相对论与热力学的不协调。
另一方面宇宙学已从一门纯理论的科学变成了一门观测的科学，随着众多的探测器不断升空，这方面工作如雨后之春笋，大量涌现，方兴未艾。我们认为在国内应该而且有条件开展这方面的工作以赶上国际先进水平，为我国的科研人员在国际天体物理前沿研究中争得一席之地。因此我们的工作规划将围绕着这两个方面展开制订。
( I ) 引力论
1. 经典引力理论
(1) 引力理论中的一些深层次问题的研讨
整个物理学、天文学中只有广义相对论中的时空是弯曲的，但它没有考虑时间方向性。量子理论同样也没有考虑时间方向性问题。
热力学是物理学中唯一考虑时间方向性的一个分支，认为真实的物理过程不应该处在绝对零度，但它没有考虑时空弯曲的特性。
广义相对论的场方程是绝对零度下的场方程，我们认为一个更真实反映客观实在的引力理论是应该考虑“热”的引力理论。任何不考虑“热”的理论都会碰到不可逾越的困难，例如奇点的困难。因此建立有限温度下的引力理论，弄清楚热、时间、引力三者间的关系，这对于解决理论中出现的一些深层次困难将有所帮助。
(2) 相对论性天体的研究
⑴黑洞物理
①黑洞熵起源探讨
众所周知，黑洞熵的起源可以分为统计起源与拓扑起源。统计起源和黑洞事件视界的面积相关，而拓扑起源和黑洞时空的拓扑结构相关，这是一个长期悬而未决的问题。自上世纪70年代以来，人们提出了各种研究观点和方案，但至今未彻底弄清楚。
②黑洞的似正规模及黑洞证认研究
黑洞的似正规模是指黑洞周围的物质场除扰动外还有衰减行为，它被认为可作为直接观测黑洞的唯一证据，将在以后几年的引力波实验中被观测到。对各种黑洞似正规模的深入研究和认识，有利于我们通过引力波实验探测黑洞的存在，能帮助我们在观测上进一步认识黑洞的特性。除此以外，黑洞的似正规模还是验证超弦理论提出的AdS/CFT对应性的例子。目前这方面工作仅局限与一些最简单的一些静态球对称黑洞。
③黑洞视界面积量子化
黑洞视界面积量子化是一个由来已久的问题，自1974年提出至今尚未完全解决。它涉及到黑洞熵的量子起源。目前仅对史瓦西黑洞和荷电静态球对称黑洞有过一些讨论。我们打算利用正则量子引力的方法深入地探讨一般黑洞。
④黑洞的量子特性与量子信息的研究
黑洞的霍金蒸发是黑洞热力学中的最重要问题之一，在这过程中量子力学的么正性将被破坏。这样黑洞热力学将与目前的量子力学相矛盾，这是一个自上世纪70年代以来的未解决难题，而这一问题的解决将极大地推动该研究领域及理论物理其它领域向前长足前进。
1982年Wotters和Zurek在《Nature》杂志上发表一篇短文，提出所谓的量子不可克隆定理：一个未知的量子态不可能被完全精确复制。这个定理的实质已经蕴涵了量子力学的最基本的原理之一，即量子态叠加原理之中，实际上可以认为是量子态叠加原理的一个重要推论，后来Yuen等进一步发展了量子不可克隆定理，他们假定复制过程可以用一个么正变换来描述。
近来Susskind等在史瓦西黑洞中讨论了这一问题，提出量子克隆监督：在史瓦希黑洞中永无可能探测到被克隆的量子信息，并进一步得出结论，量子不可克隆定理和黑洞互补原理是两个相容的理论。我们把讨论的范围扩大到一般球对称黑洞，发现在带电球对称黑洞中量子不可克隆定理和黑洞互补原理似乎存在着不可调和的矛盾。因此，黑洞中的量子不可克隆定理仍然是个值得深入探讨的问题。
（2）相对论性致密天体的研究
①中子星的似正规模研究
除黑洞有似正规模外，其它致密天体，如中子星也同样有。因此有必要把黑洞的研究推广到其它致密天体背景中，并比较与黑洞的异同。
（3）引力全息原理
近十多年来，由诺贝尔奖获得者t’Hooft的工作和理论物理学家Susskind的成果，人们对引力本质的认识有了重要的前进。最关键的成就就是认识到引力的全息原理，即一个D维时空带引力物体的自由度可以用这个物体表面上的（D－1）维不带引力的理论的自由度描写。
引力的全息原理是引力的普适性质，它源于普适的黑洞热力学。目前人们只对在AdS/CFT相应性下几个个别例子有比较明确的了解。在其它引力背景中，这种引力的全息图如何实现？它有什么样的相应性？相对应的非引力理论应该具有什么性质？所以这一切尚待进一步认识。而这些认识必将对时空本质认识认识带了质的飞跃。
2. 量子引力
将广义相对论和量子力学统一起来，即建立一个自洽、完备的引力场的量子理论，这是理论物理研究中最困难的问题之一。自上世纪30年代以来，虽然量子引力的研究已经取得了诸多重要进展，但离最终解决尚需时日。目前这方面有两个工作可做，除了继续攻关以待取得突破性进展外，亦可利用现有的相关研究成果，来探讨它可能产生的可观测效应。我们认为可以利用目前较为成功的圈量子引力对宇宙奇点问题，形成大尺度结构的初始扰动谱，宇宙常数问题，原初黑洞的量子创生，宇宙的起源等相关内容开展相关的研究。
此外，我们认为建立德西特群不变的相对论方面的工作亦是一个值得关注、值得重视、值得投入的工作。
（II）宇宙论
宇宙的演化、物质的结构、生命的起源是科学探索中的三大基本课题。
20世纪人类在宇宙的演化和物质的结构及其相互作用的探索道路上取得了辉煌的成就，建立了描述宇观世界的大爆炸宇宙模型，和描述微观世界的粒子物理标准模型。近几年来，宇宙学这一研究领域正在经历着观测和理论上的双重大变革，宇宙学已从纯理论的科学变成了观测科学。特别是宇宙微波背景辐射的观测取得了令人振奋的进展。它蕴藏了大量的关于宇宙的信息，使人们对宇宙的认识，诸如宇宙的成分、宇宙的演化等取得了长足的进步，给暴涨模型以强有力的支持。然而究竟哪些暴涨模型更符合宇宙的实际，暴涨模型为何取如此特殊的初态，依然是个未解之谜。近年来WMAP的结果更有耐人寻味的地方，一是宇宙总密度可能略大于1，二是大角度涨落低于平直暴涨所预言。
众所周知，对超新星亮度的测定，可以用来判断宇宙膨胀的速率。美国马里兰州太空望远镜研究所和劳伦斯伯克利国家实验室发现，超新星“1977ff”的亮度是“预计”正常亮度的两倍。据此，我们可以判定，它爆发于宇宙的减速膨胀阶段。超新星“1977ff”是1977年被哈勃太空望远镜拍摄到的，它爆发于110亿年前，当时宇宙的年纪只有现在的四分之一。
另一方面，根据对Ia型超新星的观测表明我们当前的宇宙存在加速膨胀。综合这两方面的观测结果，我们可以得出结论；我们的宇宙经历了一个先减速后加速的膨胀过程。由此可以推断出，我们的宇宙中必定存在一种新的物质形式——暗能量。暗能量与普通物质的一个显著不同点是：暗能量具有“负引力”，而物质具有引力。暗能量大约是宇宙总成分的70％。在任何一个给定的空间里，暗能量的负引力作用很小。在日常生活之中不会被感觉出来，但在广漠的宇宙空间中，其作用非常强大，足以使星系和星系团分开。我们的宇宙经历了一个先减速后加速的膨胀过程，原因就是暗能量的负引力作用和物质的引力作用综合决定宇宙的膨胀速率。大约在60亿年前，物质的引力作用在与暗能量的负引力作用较量中败北。从此，宇宙进入加速膨胀阶段。
暗能量更接近能量，而非物质。关于它的深入了解，将对我们了解时间、空间、物质和能量，具有关键作用。美国芝加哥大学天体物理学家特纳评论说：“暗能量是所有科学发现中最重要的科学发现之一，寻找暗能量的合理解释，将是今后天文学和物理学面临的最重要难题之一”。
总之随着观测手段的提高、观测数据的累积 、观测资料的完善。宇宙学将是天文学与物理学交叉研究中的一个重要生长点。我们认为可在下面几个方面开展相关研究，并取得丰硕成果。它们是：
1）暗能量与宇宙加速膨胀；
2）暗能量与时空大尺度结构（这里要强调一下，以往有关时空大尺度结构的结论几乎均是在强能量条件成立的前提下得到的，若考虑到暗能量存在，则强能量条件不满足。因此须对此时时空大尺度结构开展研究）；
3）暗物质的物理机制；
4）暴涨模型与宇宙原初扰动谱；
5）宇宙全息原理；
6）膜宇宙、弦宇宙的研究；
7）宇宙的量子创生（为了探本求源必须探求暴涨前的情况。不然的话，任意假定暴涨势与初条件，从而形成像目前这样成百上千的暴涨模型，就很不美妙。为此我们必须探讨宇宙的量子诞生，此时的宇宙将用反映其几率性质的宇宙波函数来描写，膨胀率主要取决于真空能。宇宙的量子创生会对宇宙的初始大小和初始真空能给出一个几率分布。诚然目前量子宇宙学研究仍处在初级阶段，但随着量子引力研究的进展，量子宇宙学将会随之完善。）
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