数学所讲座第57讲-中国科学院数学研究所
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中科院数学与系统科学研究院, 2016.12.07
引力的全息性质及其应用
蔡荣根 中国科学院理论物理研究所
R.G. Cai et al, Introduction to Holographic Superconductor Models Sci. China Phys. Mech. Astron. 58 (2015) 060401,
1) 水星进动, 光线弯曲，引力红移,Shaprio 时间延迟 2) 脉冲双星, 引力波 3) 和谐宇宙模型
奇异性, 量子理论
引力的本质仍是一个迷惑，仍是现代物理的基本问题之一!
What is the nature of gravity? It clashes with quantum theory. It doesn't fit in the Standard Model. Nobody has spotted the particle that is responsible for it. Newton's apple contained a whole can of worms.
* 从牛顿的万有引力定律到爱因斯坦的广义相对论
（1）广义相对论成立从亚毫米到太阳系尺度（弱场）
（近日点的进动，光线偏折，引力红移, 雷达回波延迟）
(M/R <<1, v/c <<1) ：强场检验，数值相对论
（2）广义相对论是经典理论，引力的量子性质如何？ 量子效应，引力的本质 广义相对论的边界？
从牛顿引力到爱因斯坦广义相对论:
但是在狭义相对论中，时空是给定的，时空中的物质 不会改变时空结构。马赫和许多哲学家和学者对这点 非常不满意。
爱因斯坦接受了马赫的观点：时空中的物质会影响时空 结构。
爱因斯坦引力场方程 (1915)：
给出了时空几何与其中 物质的关系！广义相对 论是关于时间，空间和 引力的理论。
引力=弯曲时空
L.D. Landau:
“可能是最漂亮的理论”
(1908.1.22-1968.4.1）
广义相对论的预言之一：黑洞的存在性 第一个黑洞解：Schwarzschild 黑洞
真空的爱因斯坦场方程的精确解， 描写一个天体的引力场。当这一 天体的半径<2GM,它就是一个黑洞。
(K. Schwarzschild,1873-1916)
…This fact suggests we are missing some important ingredients in the overall description of the cosmos,…. demands a paradigm shift, …The universe should be treated as a special physical system governed by a different mathematical description, rooted in the quantum description of spacetime.T. Padmanabhan, arXiv:
R
1 2
g R
8 GT
引力
①
② AdS/CFT 对偶
热力学
③
dE =TdS
流体力学/弹性力 学
黑洞起到了关键性作用！
他们都是系统粗粒化的描述!
③
引力可能不是基本相互作用!
广义相对论： 2015: GR100 “人类智慧的杰出典范”
100年来，我们对引力有 了什么进一步的认识？
基于广义相对论： 5% 重子物质, 27% 暗物质, 68% 暗能量
PandaX-II, PRL 117 (2016)121303
LUX, arXiv:1608.07648
我们面对着极大的挑战!
可以有二种观点:
1) Gravity is a fundamental interaction
2) One may consider gravity in other ways
无毛定理（唯一性定理 ）
Kerr-Newman 黑洞
视界
M, J, Q
天体环境中的黑洞： 克尔黑洞：M, J
引力塌缩和致密星
天体 太阳 白矮星 中子星 黑洞
质量 1
< 1.4 1-3 >3
半径
表面引力
1
10^(-6)
10^(-2) 10^(-4)
arXiv: 1502. 00437
自然科学的基本问题
• 宇宙的起源 • 生命的起源 • 物质的起源
物质的基本成分及其相互作用 。。。。
四类基本相互作用
强, 弱 和电磁 粒子物理标准模型
引力
宇宙的和谐模型
引力： 无处不在
1687：万有引力定律
1915:
正如爱因斯坦所预期的，广义相对论是非常成功的理论
We have sufficient motivations to reconsider this basic starting point from the observational side and theoretical perspective: Black hole physics and string theory indicate that our macroscopic notions of spacetime and gravity are emergent from an underlying microscopic description. E. Verlinde, arXiv: 1611.02269
假如M随时间变化
m r M
牛顿引力
与狭义相对论不自恰
爱因斯坦的二点考虑：
1）引力的普适性 (等价性原理）： 自由落体的运动轨迹完全不依赖于物体的成分， 非常类似与在狭义相对论中物体的运动轨迹不依赖 于物体成分。
这建议了引力可以用时空来描述。 狭义相对论时空：平坦的闵氏时空
Leabharlann Baidu
2) 马赫原理：物体的惯性运动是由于宇宙中的所有 物质所引起的。
其他问题: 宇宙的唯一性, 暴涨, 黑洞, 时间
广义相对论（引力）是关于时间和空间的理论
Saint Aurelius Augustinus 354—430
What is time? 时间是什么？ 如没人问我，我很清楚。 如有人问我，我便茫然！
The same question holds for space!
引力的全息性质及其应用
蔡荣根 中国科学院理论物理研究所
R.G. Cai et al, Introduction to Holographic Superconductor Models Sci. China Phys. Mech. Astron. 58 (2015) 060401,
1) 水星进动, 光线弯曲，引力红移,Shaprio 时间延迟 2) 脉冲双星, 引力波 3) 和谐宇宙模型
奇异性, 量子理论
引力的本质仍是一个迷惑，仍是现代物理的基本问题之一!
What is the nature of gravity? It clashes with quantum theory. It doesn't fit in the Standard Model. Nobody has spotted the particle that is responsible for it. Newton's apple contained a whole can of worms.
* 从牛顿的万有引力定律到爱因斯坦的广义相对论
（1）广义相对论成立从亚毫米到太阳系尺度（弱场）
（近日点的进动，光线偏折，引力红移, 雷达回波延迟）
(M/R <<1, v/c <<1) ：强场检验，数值相对论
（2）广义相对论是经典理论，引力的量子性质如何？ 量子效应，引力的本质 广义相对论的边界？
从牛顿引力到爱因斯坦广义相对论:
但是在狭义相对论中，时空是给定的，时空中的物质 不会改变时空结构。马赫和许多哲学家和学者对这点 非常不满意。
爱因斯坦接受了马赫的观点：时空中的物质会影响时空 结构。
爱因斯坦引力场方程 (1915)：
给出了时空几何与其中 物质的关系！广义相对 论是关于时间，空间和 引力的理论。
引力=弯曲时空
L.D. Landau:
“可能是最漂亮的理论”
(1908.1.22-1968.4.1）
广义相对论的预言之一：黑洞的存在性 第一个黑洞解：Schwarzschild 黑洞
真空的爱因斯坦场方程的精确解， 描写一个天体的引力场。当这一 天体的半径<2GM,它就是一个黑洞。
(K. Schwarzschild,1873-1916)
…This fact suggests we are missing some important ingredients in the overall description of the cosmos,…. demands a paradigm shift, …The universe should be treated as a special physical system governed by a different mathematical description, rooted in the quantum description of spacetime.T. Padmanabhan, arXiv:
R
1 2
g R
8 GT
引力
①
② AdS/CFT 对偶
热力学
③
dE =TdS
流体力学/弹性力 学
黑洞起到了关键性作用！
他们都是系统粗粒化的描述!
③
引力可能不是基本相互作用!
广义相对论： 2015: GR100 “人类智慧的杰出典范”
100年来，我们对引力有 了什么进一步的认识？
基于广义相对论： 5% 重子物质, 27% 暗物质, 68% 暗能量
PandaX-II, PRL 117 (2016)121303
LUX, arXiv:1608.07648
我们面对着极大的挑战!
可以有二种观点:
1) Gravity is a fundamental interaction
2) One may consider gravity in other ways
无毛定理（唯一性定理 ）
Kerr-Newman 黑洞
视界
M, J, Q
天体环境中的黑洞： 克尔黑洞：M, J
引力塌缩和致密星
天体 太阳 白矮星 中子星 黑洞
质量 1
< 1.4 1-3 >3
半径
表面引力
1
10^(-6)
10^(-2) 10^(-4)
arXiv: 1502. 00437
自然科学的基本问题
• 宇宙的起源 • 生命的起源 • 物质的起源
物质的基本成分及其相互作用 。。。。
四类基本相互作用
强, 弱 和电磁 粒子物理标准模型
引力
宇宙的和谐模型
引力： 无处不在
1687：万有引力定律
1915:
正如爱因斯坦所预期的，广义相对论是非常成功的理论
We have sufficient motivations to reconsider this basic starting point from the observational side and theoretical perspective: Black hole physics and string theory indicate that our macroscopic notions of spacetime and gravity are emergent from an underlying microscopic description. E. Verlinde, arXiv: 1611.02269
假如M随时间变化
m r M
牛顿引力
与狭义相对论不自恰
爱因斯坦的二点考虑：
1）引力的普适性 (等价性原理）： 自由落体的运动轨迹完全不依赖于物体的成分， 非常类似与在狭义相对论中物体的运动轨迹不依赖 于物体成分。
这建议了引力可以用时空来描述。 狭义相对论时空：平坦的闵氏时空
Leabharlann Baidu
2) 马赫原理：物体的惯性运动是由于宇宙中的所有 物质所引起的。
其他问题: 宇宙的唯一性, 暴涨, 黑洞, 时间
广义相对论（引力）是关于时间和空间的理论
Saint Aurelius Augustinus 354—430
What is time? 时间是什么？ 如没人问我，我很清楚。 如有人问我，我便茫然！
The same question holds for space!