虽然一切只能在基础上解释，但广义相对论的弯曲时间空和热力学的弯曲时间空是物理学家在统一广义相对论和量子场论，追求终极理论或《万物理论》的道路上所取得的最坚实的进展。
从1915年到1916年，柏林洪堡大学现代物理学之父爱因斯坦发表了广义相对论，这是人类文明史上最优美简洁的理论。从那以后，爱因斯坦专注于寻找一种可以统一描述广义相对论和量子物理的理论。虽然爱因斯坦是量子物理学的创始人之一，和德国物理学家马克斯·普朗克一样，但爱因斯坦不喜欢难以捉摸的量子，想把量子物理学变成广义相对论。爱因斯坦是第一个真正从事统一场论的物理学家。可惜的是，他的时代条件还不成熟，所以他一生都没有在广义相对论之后取得长足的进步。然而，爱因斯坦启发了后来孜孜不倦热衷于统一的物理学家，希望统一所有描述宇宙的理论，最好用一个简单的方程来解释和描述一切。
20世纪以来，物理学家发现世界分为经典世界和量子世界。宏观上，事物遵循庄严而美好的广义相对论；微观上，事物主要遵循神秘的量子场论。微观世界也遵循广义相对论，因为引力与任何事物的能量耦合都意味着引力具有普适性，但由于微观世界通常能量很少，引力很弱，一般可以忽略不计。
根据广义相对论，万有引力是由于四维中万物弯曲空的能量，这是一个引力场，任何物体行走或试图行走时空中最短、最自然的线也称为短线或测地线。根据量子场论，电磁力、弱力和强力都是由于费米子与微观世界中某些玻色子在时间空背景下的规范玻色子交换而产生的。能被粒子探测器直接探测到的粒子是实粒子，满足量子力学中海森堡测不准关系δ e δ t ≧ h/4π。真实粒子组成的世界包括普通物质和暗物质，它们的吸引力就是吸引力。不能被粒子探测器直接探测到的物质粒子称为虚粒子，满足δ e δ t < h/4π。虚粒子构成暗能量，其引力为斥力，使得空之间的空间扩大。经典和量子是如此不同:宏观上，事物的行为是完全确定的，而微观上，一个粒子可以同时出现在不同的时间空位置。
广义相对论是爱因斯坦独自发展起来的。量子物理是物理学家的集体贡献，分为三个步骤:首先，普朗克、爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡、欧文·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、梅克斯·玻恩、恩利克·费密和保罗·狄拉克构建了量子力学。随后狄拉克、福克、泡利、纳雍一郎、施文格、理查德·费曼和弗里曼·戴森将量子力学和狭义相对论结合起来，发展了量子场论。最后，在量子场论中加入了赫尔曼·怀尔、福克、弗里茨·伦敦、泡利、杨振宁、罗伯特·米尔斯和罗纳德·肖发现的规范场的数学结构，彼得·希格斯、弗朗索瓦·恩格尔、罗伯特·陋罗、杰拉德·古拉尼、卡尔哈·格和汤姆·基博、谢尔·登格拉·肖、史蒂芬·温伯格、阿布杜萨拉姆、杰拉德·霍夫特、马丁斯·维尔特曼、大卫·格罗斯和弗兰提出的希格斯机制
弯曲时空弯曲时空
自爱因斯坦去世后，理论物理学家构建了各种理论来统一描述一切事物或描述重力、电磁力、弱力和强力之间的基本相互作用。除了弯曲时间的量子场论空，还有超弦与m理论、挠率理论、圆量子引力理论、非交换几何、全息原理、因果集理论、因果动态三角理论和熵引力理论，这些都让理论物理发生了天翻地覆的变化。在广义相对论中，时间空本质上是光滑的或连续的，物质的能量/能量张量使时间空弯曲，所以时间空本身就是一个引力场，也就是引力场与其背景无关，所以不需要提供额外的时间空本身。然而，一些量子引力理论对此持有不同的观点。他们认为时间空在微观层面上不是连续的，而是由大量极其微小的普朗克大小的时间空量子或粒子组成，它们不断地出现和消失，并将编织成时间空。
除了当弯曲空量子场论在此基础上统一了物理学，其他所有统一理论无一例外地量化了引力，从而试图得到无所不能的《万物理论》。根据广义相对论，引力的本质是时间空弯曲，所以引力的量子化实际上就是时间空量子化，把时间空量化为普朗克尺度的量子单位。这些理论通常被称为量子引力。一些缺点是超弦的时间空以及M理论、挠率理论、圆量子引力理论、非交换几何、因果集理论、因果动态三角理论和熵引力理论都是人为引入的，所以时间空不等于引力场，这意味着这些理论在本质上不包含或解释引力。
除了人工引入超弦和M理论，空之外，还导致弦景观或多元宇宙，因为它本质上与宇宙学常数不相容，所以我们宇宙的存在只是巧合而非物理决定；南非物理学家乔治·埃利斯指出，多元宇宙已经将超弦和M理论从万物理论变成了虚无理论。目前，圆量子引力理论只是一种纯量子几何理论。物理学家无法从这个信息网络中推导出普通时间空或万有引力，也无法解释任何其他力，所以圆量子引力理论实际上并没有解释任何基本力或相互作用。其他几种理论在面对真实宇宙的时候更麻烦。挠率理论、非交换几何、因果集理论、因果动态三角理论和熵引力理论都不能导出普通时间空或万有引力。来自霍金辐射的全息原理是最吸引人的发展，全息原理出现在超弦和M理论中。1997年，普林斯顿物理学家胡安·马尔达·西纳给出了一个猜想:5维反甜点时间空中的量子引力理论在10维IIB弦理论中等价于其无限边界上的量子共形场论；但是加州大学的物理学家约瑟夫·波尔钦斯基在2013年指出，这个猜想似乎完全不合逻辑。基于全息原理的熵引力理论用广义相对论下的全息原理否定了广义相对论。超弦和M理论在数学上取得了显著的成功。普林斯顿的物理学家爱德华·威滕获得了1990年的菲尔兹奖。
无论是天上的普朗克卫星观测，还是地面的大型强子对撞机实验，都没有支持上面的《万物理论》或者量子化时间空理论。伽马射线爆发产生的光子波长极短，因此可以与普朗克尺度的时间空量子发生反应。如果这个时间空量子确实存在，那么伽马射线爆发的路径在它们的漫长旅程中应该会受到轻微的影响，比如比长波长光子的速度要慢。然而，物理学家罗伯特·奈米洛夫等人在2011年的实验观测表明，在量子引力理论的标准下，现实世界的最高能量标准至少比量子引力理论设定的量子化能量标准高525倍，即引力在普朗克尺度下远未量子化。因此，抛开上述理论分析，广义相对论无论从时间空还是引力本质来看都是完全正确的。很多物理学家认为，奇点意味着广义相对论是不完整的，需要对引力或时间进行量子化空。但广义相对论的严格场方程中也包含宇宙常数项，具有排斥性“引力”的宇宙常数项可以避免奇点的出现。1998年发现的宇宙之间的加速膨胀空无疑证实了宇宙常数的存在。而且，正是量子场论中的虚粒子构成了广义相对论中的宇宙学常数项，其引力效应是斥力，使得空之间的空间扩大。
弯曲内空间弯道内空
根据19世纪英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦提出的麦克斯韦方程组中真实空光速为常数的原理和相对论原理，爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论。然后在1915年发现了广义相对论，可以解释引力的本质:引力不是力，而是物质的能量。当能量张量弯曲空时，物质在弯曲空中的自然存在或线性运动将表现为引力。后来规范场的量子场论是广义相对论在量子世界中的延伸:电磁力、弱力和强力本质上不是力，而是规范场在空之间弯曲，规范电荷在空之间弯曲，使得具有相应规范电荷的粒子或物体在空之间自然遵循直线或短路径，这说明规范场包括强场、弱场和电磁场三种基本量子场，在弯曲时间空上不同于引力场。它们都是由对应的量子化规范玻色子组成，存在于弯曲时间空的背景中，所以物理学家称规范场为内部空，量子场依赖于背景。也是在剑桥，“牛顿第一定律”以一种非定律的全新面貌出现:2012年，物理学家陈中原发现了一组方程，有限四维球形宇宙等于无限四维球形宇宙，证明了小曲率半径的无边界宇宙等于无限大爆炸，也证明了经典宇宙没有边界；接下来，我们可以重述一下弯曲空时的量子场论。宇宙无界是指宇宙中所有的局部参考系都是相等的，也就是惯性参考系，所以宇宙中没有基本力，所有的定律和定理都是牛顿第一定律，不是介于弯曲空和弯曲空之间的定律，或者说宇宙中没有基本力。这就是广义相对论、量子场论和热力学想要表达的。
现在看来，广义相对论和量子场论都是严格成立的，都经过了各种实验和观测的严格验证。宇宙中的四种基本相互作用在弯曲空和弯曲空中是自然的，它们都是微分几何，甚至热力学在弯曲空量子场论中自动表现为微分几何。显然，没有比自然更基本的规律和定理了；宇宙和宇宙中的一切从根本上来说都是自然的，这种自然就是物理。物理的本质不是限制，而是根源的自然。
自然界中四种基本相互作用的本质是力的几何，力不是力，但规范场取决于引力场或弯曲的背景空，在微观世界中引力场的值通常可以忽略或不考虑。而广义相对论和量子场论的矛盾，可以通过弯曲时间空量子场论自然调和。
翻译:《广义相对论100年》专著系列
出处：http://www.phsky.net/item-detail.aspx?NewsID=82536
