[论文解读] Gravity and the Tenacious Scalar Field

Carl H. Brans|ArXiv.org|May 26, 1997

Cosmology and Gravitation Theories被引用 13

一句话总结

本文回顧了标量场在引力理论中的历史作用，从牛顿引力到现代弦理论与宇宙学。尽管实验约束不断，标量场的理论吸引力依然持久，尤其体现在导子场与暴胀场模型中的复兴，标量场作为基础物理中一个‘顽强’的要素，尽管经历了多次理论与实证挑战。

ABSTRACT

Scalar fields have had a long and controversial life in gravity theories, having progressed through many deaths and resurrections. The first scientific gravity theory, Newton's, was that of a scalar potential field, so it was natural for Einstein and others to consider the possibility of incorporating gravity into special relativity as a scalar theory. This effort, though fruitless in its original intent, nevertheless was useful in leading the way to Einstein's general relativity, a purely two-tensor field theory. However, a universally coupled scalar field again appeared, both in the context of Dirac's large number hypothesis and in five dimensional unified field theories as studied by Fierz, Jordan, and others. While later experimentation seems to indicate that if such a scalar exists its influence on solar system size interactions is negligible, other reincarnations have been proposed under the guise of dilatons in string theory and inflatons in cosmology. This paper presents a brief overview of this history.

研究动机与目标

• 追溯从牛顿引力到现代统一场论的引力理论中标量场的历史演变。
• 在狄拉克大数假说与五维统一理论的背景下，考察标量场的理论动因。
• 分析标量场在现代物理中的持续存在，包括弦理论中的导子场与宇宙学中的暴胀场。
• 评估标量场的实验约束，特别是太阳系尺度现象中的约束。
• 将标量场作为理论物理中一个‘顽强’概念的定位，尽管经历了多次理论与实证挑战。

提出的方法

• 调查从牛顿的标量势开始的引力中标量场理论的历史发展。
• 分析从标量理论向爱因斯坦的广义相对论（作为双度规张量理论）的过渡。
• 考察费尔兹、朗道、其他人等在五维卡鲁扎-克莱因理论与统一场论背景下重新引入标量场的复兴。
• 回顾标量场在狄拉克大数假说中的作用及其对宇宙学常数的含义。
• 讨论标量场在弦理论中作为导子场与暴胀宇宙学中作为暴胀场的出现。
• 评估标量场的实验约束，特别是来自太阳系引力测试的评估，以判断其可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何尽管面临理论与实验挑战，标量场仍反复出现在基础引力理论中？
• RQ2 在统一场论与宇宙学中重新引入标量场的关键理论动因是什么？
• RQ3 弦理论中的标量场（导子场）与早期宇宙宇宙学中的标量场（暴胀场）与早期的标量引力模型有何不同？
• RQ4 实验观测，特别是太阳系范围内的观测，在多大程度上限制了动力标量场的存在？
• RQ5 尽管存在实证限制，为何标量场在现代物理中仍具有持久的理论吸引力？

主要发现

• 自牛顿的标量势以来，标量场在引力理论中一直扮演基础性角色，尽管后来被广义相对论所取代。
• 早期标量引力理论的失败为爱因斯坦发展广义相对论（作为双度规张量理论）铺平了道路。
• 标量场在狄拉克大数假说以及费尔兹、朗道等人提出的五维统一场论中重新出现。
• 现代物理重新引入标量场作为弦理论中的导子场与暴胀宇宙学中的暴胀场，表明其持续的理论相关性。
• 尽管在理论上复兴，实验数据——特别是太阳系测试——表明任何标量场在大尺度引力相互作用中的影响可忽略不计。
• 标量场在理论物理中仍是一个‘顽强’的概念，尽管经历了多次理论与实证挑战，仍贯穿于多代物理理论之中。