[论文解读] Einstein's Geometrical Versus Feynman's Quantum-Field Approaches to Gravity Physics: Testing by Modern Multimessenger Astronomy

Yu. V. Baryshev|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 212被引用 4

一句话总结

本文比較愛因斯坦的幾何廣義相對論（GRT）與費曼的量子場引力理論（QFGT），主張基於龐加萊對稱性、可定位的能動量及自旋-2/自旋-0 引力場的 QFGT 提供了一致的量子框架，解決了 GRT 中關鍵的哲學矛盾。本文示範現代多信使天文學（包括重力波與黑洞成像）可測試 QFGT 的預測，例如標量重力輻射與非黑洞致密天體。

ABSTRACT

Modern multimessenger astronomy delivers unique opportunity for performing crucial observations that allow for testing the physics of the gravitational interaction. These tests include detection of gravitational waves by advanced LIGO-Virgo antennas, Event Horizon Telescope observations of central relativistic compact objects (RCO) in active galactic nuclei (AGN), X-ray spectroscopic observations of Fe K line in AGN, Galactic X-ray sources measurement of masses and radiuses of neutron stars, quark stars, and other RCO. A very important task of observational cosmology is to perform large surveys of galactic distances independent on cosmological redshifts for testing the nature of the Hubble law and peculiar velocities. Forthcoming multimessenger astronomy, using such facilities as advanced LIGO-Virgo, Event Horizon Telescope (EHT), ALMA, WALLABY, JWST, EUCLID, and THESEUS, can elucidate the relation between Einstein's geometrical and Feynman's quantum-field approaches to gravity physics and deliver a new possibilities for unification of gravitation with other fundamental quantum physical interactions.

研究动机与目标

• 評估費曼的量子場引力理論（QFGT）作為愛因斯坦幾何廣義相對論（GRT）替代方案之概念與觀測可行性。
• 識別 QFGT 中與 GRT 不同的可測試預測，特別是關於引力場能動量性質與標量引力場存在的問題。
• 探討現代多信使天文學（使用 LIGO-Virgo、EHT、JWST 與 EUCLID）如何測試引力的量子性與幾何性。
• 在 QFGT 中提出一個場重力分形宇宙學模型（FGF），將哈勃定律重新詮釋為全域量子引力紅移，避免引入空間膨脹。

提出的方法

• 從最小作用量原理形式推導 QFGT，使用具有 10 個自由度的對稱二階張量勢，經規範不變性與能動量張量（EMT）守恆簡化為 6 個自由度。
• 識別物質 EMT 的跡為動態自旋-0 標量場的來源，此場在 GRT 中不存在。
• 應用牛頓後近似（PN）推導運動方程，包含由自旋-2 + 自旋-0 位勢組合產生的龐加萊力與加速度項。
• 運用拉格朗日形式主義推導引力場的場方程與能動量張量，確保能動量可定位且能量密度為正。
• 基於非膨脹的闵可夫斯基時空、動態物質與化學演化，建構場重力分形（FGF）宇宙學模型。
• 比較 GRT 與 QFGT 對古典相對論效應（如近日點進動、時間延遲、倫西-瑟林效應）與新量子效應（如標量重力輻射、自引力氣體結構）的預測。

实验结果

研究问题

• RQ1 QFGT 中引力場的能動量是否能一致地定位，從而解決 GRT 中的一個關鍵問題？
• RQ2 QFGT 中自旋-0 標量場的存在是否會在強場引力（如中子星或黑洞系統）中導致可觀測的偏差？
• RQ3 多信使觀測（重力波、X 射線譜、黑洞陰影）是否能區分 GRT 與 QFGT 的預測？
• RQ4 所觀測到的哈勃-勒梅特定律是否可解釋為非膨脹的闵可夫斯基時空中全域量子引力紅移，如 FGF 模型所提出的？
• RQ5 QFGT 中由引力場能量密度產生的牛頓後近似修正，是否會在太陽系或雙星脈衝星系統中產生可測量的效應？

主要发现

• QFGT 提供了一個基於龐加萊對稱性的引力一致量子場論框架，確保引力場能動量可定位且重力波具有正能量密度。
• 物質能動量張量的跡在 QFGT 中產生動態自旋-0 標量場，此場在 GRT 中不存在，可透過標量重力輻射進行測試。
• QFGT 再現所有古典相對論引力效應（如近日點進動、時間延遲、倫西-瑟林效應），但包含新預測，如龐加萊力與旋轉體的平移運動。
• QFGT 中的場重力分形（FGF）模型將本地宇宙中線性紅移-距離關係解釋為全域量子引力紅移，無需假設空間膨脹。
• 先進 LIGO-Virgo 對重力波的探測可測試標量重力輻射的存在，此為 QFGT 的關鍵預測，而 GRT 中並無此現象。
• QFGT 允許存在無事件視界的相對論性致密天體（RCOs），提供黑洞的替代模型，此或可透過 EHT 對吸積盤與相對論性噴流的觀測進行測試。