7、引力场的量子化及其局限性解析
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从爱因斯坦到霍金的宇宙100分满分答案本页仅作为文档封面,使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March一、单选题(题数:40,共分)1光速不变原理是指()。
(分)分A、真空中的光速在空间各点都相同B、真空中的光速各向同性C、真空中的光速不随时间变化D、真空中的光速和观测者相对于光源的运动速度无关正确答案: D 我的答案:D2最早认识到大地是一个球的人是()(分)分A、亚里士多德(公元前300多年)B、毕达哥拉斯(公元前500多年)C、托勒密(公元前100多年)D、柏拉图(公元前300多年)正确答案: B 我的答案:B3霍金本科毕业于().(分)分A、剑桥大学B、伦敦大学C、利物浦大学D、牛津大学正确答案: D 我的答案:D4金字塔和狮身人面像的建造时间是()。
(分)分A、前4000年B、前3000年C、前2500年D、前1500年正确答案: C 我的答案:C5夏商周断代工程确定的武王克商之年为()。
(分)分A、前1057年B、前1046年C、前1027年D、前899年正确答案: B 我的答案:B6()第一个看到中子,但没有认出来。
他用粒子轰击铍,得到一种看不见的、不带电的、穿透力极强的射线,但未认出是中子射线。
(分)分A、卢瑟福B、玻特C、查德威克D、诺达克夫人正确答案: B 我的答案:B7人类诞生于()。
(分)分A、1000万年前100万年前C、50万年前D、10万年前正确答案: B 我的答案:B8毕达哥拉斯在前500多年提出了第一个宇宙模型。
(分)分A、日心模型B、地心模型C、中心火模型D、天圆地方模型正确答案: C 我的答案:C9广义相对论是由下面的()学者在1915年建立的.(分)分A、爱因斯坦B、爱因斯坦与希尔伯特爱因斯坦与格罗斯曼D、庞加莱正确答案: A 我的答案:A10电子的干涉现象是().(分)分A、两个电子相互干涉B、大量电子相互干涉C、电子和狭缝相互干涉D、一个电子自己和自己干涉正确答案: D 我的答案:D11谁首先指出物理学是一门“实验的科学”、“测量的科学”()(分)分A、阿基米德B、伽利略C、牛顿D、亚里士多德正确答案: B 我的答案:B12德布罗意波中波性与粒子性是什么关系(分)分A、波是大量粒子的行为B、粒子是各种单色波叠加成的波包C、波表示的是粒子出现的概率D、波长越短粒子性越明显正确答案: C 我的答案:C13爱因斯坦的获得诺贝尔奖的论文是()。
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引力场量子化数学模型的尝试
靳锐敏
【期刊名称】《南都学坛:南阳师专学报》
【年(卷),期】1992(012)001
【摘要】量子场论把电磁场,弱、强作用场的自由场及其作用形式,用量子化的数学模型表示了出来。
本文试图用类似的数学模型把引力场也表示出来。
【总页数】6页(P90-95)
【作者】靳锐敏
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】O413.3
【相关文献】
1.利用爱因斯坦转盘推求中心引力场中的光频红移--在普通物理教学中讲解等效原理的一种尝试 [J], 杨大卫
2.全曲率平方型引力场的量子化 [J], 邵常贵
3.建立标量引力场广义协变理论的尝试 [J], 刘富义;刘凡取
4.抗击疫情我们在行动——"能量量子化"线上教学尝试 [J], 杨朋聚;武淑清
5.引力场量子化数学模型的尝试 [J], 靳锐敏
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量子化的引力理论引言:引力是物理学中至关重要的一个基本力,它影响着宇宙中物体的运动和相互作用。
然而,引力与量子力学的统一一直是科学家们关注的难题。
本文将探讨量子化的引力理论,包括其基本原理、相关实验进展以及对未来研究的展望。
一、量子引力的基本原理量子引力理论旨在统一爱因斯坦的广义相对论和量子力学,从而建立一个适用于宏观和微观世界的完整理论框架。
其基本原理如下:1. 引力量子化:与传统的爱因斯坦引力场不同,量子引力理论认为引力是由粒子 - 引力子传递的。
引力子是质量为0的自旋2玻色子,负责传递引力作用。
2. 时空的量子化:根据量子力学的观点,时空被量子化成离散的微小区域,即量子时空。
时空的本质是由虚拟粒子 - 量子泡沫组成的。
3. 引力相互作用的量子化:量子引力理论通过描述引力子的交换来解释引力作用的量子化。
这相当于引力子的产生和吸收,从而实现引力相互作用的量子性。
二、实验进展为了验证量子引力理论,科学家们进行了一系列实验,以下是其中的一些重要进展:1. 重力波实验:重力波是量子引力理论的预测现象之一。
2015年,LIGO实验探测到了来自黑洞并合事件的重力波信号,为量子引力理论提供了有力的实验证据。
2. 量子时空实验:实验物理学中的量子纠缠实验被用来研究量子时空的性质。
一些实验证据表明,离散的量子时空结构在宏观尺度上可能具有可观测的效应。
3. 引力子探测:科学家们一直在寻找引力子的实验证据。
虽然目前还没有直接观测到引力子,但通过间接证据如引力透镜效应和暗物质分布等,对引力子的存在性提供了一定的支持。
三、未来展望尽管量子化的引力理论取得了一些重要进展,但仍然存在许多未解之谜和待解决的问题。
未来的研究将集中于以下方面:1. 引力和量子理论的融合:当前的量子引力理论还没有完全融合引力和量子理论,如如何统一引力、强力和电弱力等问题需要进一步研究。
2. 引力的微观效应:量子引力理论预测了微观尺度上引力的量子效应,如引力的涌现和基本粒子之间的量子引力相互作用等,这些效应有待进一步的实验验证。
第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性教学设计一、相对论时空观1.牛顿力学与电磁波理论遇到了怎样的矛盾和冲突(1)英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在,并证明电磁波的传播速度等于光速。
(2)1887年迈克耳孙——莫雷实验表明:在不同的参考系中,光的传播速度都是一样的。
(3)按照绝对时空观,光的传播速度与参考系的选取有关,而实验测得光的传播速度与参考系的选取无关,二者有矛盾。
2.爱因斯坦的假设(1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是相同的,(2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
思考与讨论:如果你接受了爱因斯坦的两个假设,假设一列火车沿平直轨道飞快的地匀速行驶,车厢中央的光源发出了一个闪光,那么在车上的人和在车下的人,看到闪光照到车厢前壁和后壁这两个时间是否都是同时发生的呢?3.时间的延缓效应如果相当于地面以v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ,地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt ,则2)(1cv t -∆=∆τ。
由于1)(12<-c v ,所以总有Δt>Δτ,此种情况称为时间延缓效应。
思考与讨论:如果与杆相对静止的人测得杆长是l0,沿着杆的方向,以v 相对杆运动的人测得杆长是l ,那么两者之间存在怎样的关系?4.长度收缩效应(1)长度收缩效应:一条沿自身长度方向运动的杆,其长度总比杆静止时的长度变小。
(2)长度变换公式:20)(1cvl - 思考与讨论:有一种基本粒子叫μ子,当它低速运动时,它的平均寿命是3.0μs ,当μ子以0.99c 的速度飞行时,若选μ子为参考系,μ子的平均寿命是多少?若以地面为参考系,μ子的平均寿命是多少?【相对论时空观的第一次验证】相对论时空观的第一次宏观验证是在 1971 年进行的。
当时在地面上将四只铯原子钟调整同步,然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行,一架向东飞,另一架向西飞。
量子场论概论量子场论(Quantum Field Theory)是现代物理学中最基础的理论之一,它描述了宏观世界中的粒子是如何由场产生和相互作用的。
量子场论结合了量子力学和狭义相对论,是粒子物理学研究的核心理论之一。
本文将为读者提供量子场论的概要介绍。
一、量子场的基本概念量子场论的起点是量子力学中的波函数,而在量子场理论中,波函数被替代为场。
场是时空中的实数或复数函数,它的不同取值代表了不同的粒子状态。
量子场满足薛定谔方程或者狄拉克方程,这些方程描述了场随时间和空间的演化规律。
二、量子场的量子化量子场论的目的是将场量子化,即将经典的场变量转化为算符,使之符合量子力学中的对易或反对易关系。
这样,场就成为了多粒子态的产生算符和湮灭算符的叠加。
量子场的运动方程可以通过拉格朗日量推导得到。
三、量子场的相互作用量子场之间的相互作用可以通过相互作用项来实现,相互作用项是拉格朗日量中的一部分。
在相互作用的过程中,场可以相互转化成不同的粒子,这也是量子场论的特殊之处。
通过计算相互作用过程的概率振幅,可以得到不同粒子的散射截面等物理量。
四、量子场论的重整化量子场论中的计算过程中会遇到发散的问题,这些发散可以通过重整化来处理。
重整化是一种数学技巧,通过重新定义物理量的取值,将发散项与物理量的实际观测结果相抵消。
重整化为量子场论提供了可计算的结果。
五、量子场论的应用量子场论在粒子物理学中有广泛的应用。
它被用于描述基本粒子之间的相互作用,如强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。
量子场论也被用于解释和预测实验结果,揭示物质的微观结构。
六、前沿问题与展望量子场论在理论物理学中仍然存在许多未解决的问题和待探索的领域。
例如,引力场的量子化是理论物理学的一大难题。
量子场论在宇宙学和黑洞物理学等领域也有着重要的应用和深刻的启示。
总结:量子场论是描述粒子之间相互作用的重要理论,它将量子力学和狭义相对论相结合,给出了精确的物理描述。
通过量子场的量子化和相互作用的计算,我们可以得到不同粒子的性质和相互作用过程的概率。
第七节建立惯性力场中的麦克斯韦方程组和惯性力场的量子化建立惯性力场中的麦克斯韦方程组十分困难。
根据等效原理,先把引力场麦克斯韦方程组中的引力场加速度g换成惯性力场加速度a -就可以了。
下面我们按照数学物理方法分析思路先证明惯性力场就是电量电场,从而将麦克斯韦方程组推广到惯性力场;在进一步证明惯性力就是引力,扩大等效原理的适用范围。
一、证明惯性力就是电量电场力惯性力就是电量电场力,惯性力场就是电量电场。
根据统一思维,假定万有引力(B )、电磁作用力(A )、弱相互作用力(C )、强相互作用力(D )、惯性力(E )在2400年统一,得物理学统一方程:E k D k C k B k A 4321====其中4321k k k k 、、、是比例系数。
摘取上式中:E k A 4=,可以轻松的证明万有引力就是惯性力。
摘取E k B k A 41==,可以证明万有引力和惯性力两者都是电量电场力。
由于万有引力和惯性力两者都是电量电场力,所以我们可以名正言顺的将麦克斯韦方程组推广到惯性力和万有引力。
并且引力场中的麦克斯韦方程组同样适用于惯性力场。
二、等效原理本质是等同原理等效原理指出惯性系中的万有引力与非惯性系中的惯性力是等效的,它的认识还是比较片面的。
我借花献佛再推广一步,认为惯性系中的万有引力与非惯性系中的惯性力是完全相同的作用力,两者都是电量电场力。
所以等效原理完全成立,等效原理可以认为是等同原理的一个特例。
有等同原理可知,任何形式的万有引力可以找出与之匹配的惯性力,最简单的就是静止天体的在某处产生的引力加速度与匀加速直线运动产生的加速度大小相等,方向相反,万有引力与惯性力等效。
较复杂一点的就是匀角速度转动的天体在某处产生的引力加速度,此时天体产生的引力加速度不在完全指向天体的球心,而是偏离天体中心指向天体旋转的一侧,加速度越大,偏离的越明显。
这相当于一个做匀加速直线运动的物体同时受到一个与物体运动方向垂直的大小恒定的加速度,此时物体做变加速度曲线运动(很复杂),此时物体产生的惯性力与匀角速度转动的天体相同。
量子引力论的原理与应用引言量子引力论是一种理论物理学中的研究方向,旨在将引力和量子力学相结合,探索宇宙中微观粒子之间的引力作用。
本文将介绍量子引力论的基本原理以及其在科学研究和技术应用中的潜力。
原理量子引力论的理论基础是广义相对论和量子力学。
广义相对论描述了引力的经典物理学描述,而量子力学描述了微观世界的行为。
量子引力论试图将这两个理论统一起来,以获得一种更综合的理论框架。
引力的量子描述传统的引力理论由爱因斯坦的广义相对论提出,描述了质量和能量之间的引力相互作用。
然而,引力力场的粒子性质并没有得到很好的解释。
量子引力论试图通过引入量子力学的概念,将引力力场描述为由引力子组成的粒子场。
引力子和力子交换量子引力论假设存在一种称为引力子的粒子,它与其他粒子交换力子来传递引力作用。
类似于量子电动力学中的光子传递电磁作用一样,引力子传递引力作用。
这种交换过程涉及到量子力学中的虚粒子,并且通过量子力学的不确定性原理解释了引力的微观本质。
引力的量子力学形式量子引力论使用路径积分方法来描述引力的量子效应。
路径积分是一种数学工具,用于计算粒子在各种路径上的概率幅。
通过将引力场量子化为路径积分的形式,研究人员可以计算出在给定的能量和时间尺度下,引力的量子效应。
应用量子引力论的研究对于理解宇宙起源、黑洞物理学和薛定谔方程等领域具有重要意义。
此外,量子引力论的潜在应用还涉及到以下几个方面:量子计算量子计算是利用量子力学中的量子叠加和量子纠缠性质进行计算的一种计算模型。
量子引力论的研究为发展更高效的量子计算算法提供了新的思路。
通过充分理解引力的量子性质,研究人员可以探索利用引力子传递信息进行计算的可能性。
粒子物理学实验量子引力论的研究对于粒子物理学实验有着重要的指导意义。
通过研究引力子的性质,可以设计实验来观测引力子的存在和相互作用。
这有助于验证量子引力论的理论预言,并且对于深入理解宇宙中微观粒子的行为有着重要的意义。
引力波探测引力波是一种由质量和能量引起的时空弯曲产生的无线电波。
量子场论的基本概念量子场论是理论物理学中的一门重要学科,它是量子力学和场论的结合体,用于描述微观粒子的行为和相互作用。
本文将介绍量子场论的基本概念,包括场的概念、量子化、费曼图等内容。
一、场的概念在经典物理学中,我们通常用场来描述物质的分布和运动。
而在量子场论中,场被看作是一种物质的激发态,它可以被量子化,即将其视为一系列的量子振动。
量子场论中的场可以是标量场、矢量场或旋量场等不同类型。
二、量子化量子场论的核心思想是将场量子化,即将场视为一系列的量子振动。
量子化的过程可以通过将场展开为一系列的谐振子来实现。
每个谐振子对应一个量子态,其能量由频率决定。
通过对谐振子的量子化,我们可以得到场的量子态和相应的能谱。
三、费曼图费曼图是量子场论中的重要工具,用于描述粒子的相互作用过程。
费曼图由线和顶点组成,线表示粒子的传播,顶点表示粒子的相互作用。
通过费曼图,我们可以计算粒子的散射截面和衰变速率等物理量。
四、量子场论的基本方程量子场论的基本方程是量子场的运动方程,通常采用拉格朗日量的形式。
拉格朗日量包含了场的动能项和相互作用项,通过变分原理可以得到场的运动方程。
解场的运动方程可以得到场的量子态和相应的能谱。
五、量子场论的应用量子场论在粒子物理学中有广泛的应用。
例如,标准模型是一种基于量子场论的理论,用于描述基本粒子的相互作用。
量子场论还可以用于计算粒子的散射截面、衰变速率等物理量,从而与实验结果进行比较。
六、量子场论的发展量子场论是一个非常活跃的研究领域,不断有新的理论和方法被提出。
例如,超对称量子场论是一种扩展的量子场论,它可以解决一些标准模型中存在的问题。
另外,量子场论与引力的统一也是一个重要的研究方向。
总结:量子场论是理论物理学中的一门重要学科,它将量子力学和场论相结合,用于描述微观粒子的行为和相互作用。
量子场论的基本概念包括场的概念、量子化、费曼图等内容。
通过量子场论,我们可以计算粒子的散射截面、衰变速率等物理量,并与实验结果进行比较。
7、引力场的量子化及其局限性二十世纪理论物理学面临的一个主要困难,可以用两个字概括,那便是发散……。
发散是量子场论中的基本困难。
起初人们相信如果狭义相对论是正确的,那么量子力学的形式就应该适当地加以修改。
因为从狭义相对论的观点来看,薛定谔方程是明显非洛仑兹协变的。
笼统地说,其中方程对时间求的是一阶导数,而哈密顿算符往往是空间的二阶导数,时间与空间处于不平等的地位。
为了使得量子力学与狭义相对论协调起来,狄拉克等人创立了量子场论。
其场方程,已具有了明显的洛仑兹协变性,同时它不仅可以对点粒子进行描述,而且能够对具有广延性质的物质场进行描述,并将其量子化。
这本身绝不能被视为仅仅是量子力学一种简单的推广,同时应看到它本质上的一次飞跃。
从物理上看,量子场论能够描述粒子的产生和湮灭,而这是在量子力学中无法实现的,从数学上看,场论中,系统的自由度是无数多的,而量子力学主要处理的只能是有限个自由度的系统,这样一种质的不同,使得两者之间的数学结构,是极不相同的,比如说希尔伯特空间的定义等等。
乃至到今天,量子力学的数学结构是已经很清楚了的,但是量子场论的数学结构,依然是有待进一步研究的课题。
量子场论中的方程在许多具体问题中已经显得很复杂,乃至无法精确求解。
特别是方程中含有非线性项的时侯。
所以至今,量子场论中发展起来的几套比较成熟了的方法,都是以近似求解为目的的微扰论。
这时发散的困难也就体现出来了。
其结果是,我们本来期望那样一些应该越来越小的修正项,相反却是无穷大的。
这或是由于积分项中的动量趋向无穷大而导致的紫外发散,或是由于动量趋向零而导致的红外发散,而前者是量子场论中所遇到的主要困难。
为了消除这样一些发散项,物理学家引入了一种称之为重整化的方法,部分地解决了这一难题。
其基本思想便是把那样一些发散项吸收到一些基本“常”量中去,而那样一些无穷大的常量却是我们永远观测不到的。
所能观测的只是那样一些经过重整化了的有限大小的量。
但是这样的一种方法并不是对任何一种理论都适用,如果一个理论中的基本发散项随着微扰的展开越来越多的话,那么我们就无法将所有的发散项,全部吸收到那样有限的几个基本常量中去。
我们称这样的一种理论是无法重整化的。
量子电动力学(QED)很早就被认识到是一个可重整化的规范理论,而严格证明其它理论是否能被重整化,很长一段时间内,是一个没有解决的问题。
直到七十年代初,这样的一个难题方被当时还是研究生的特。
霍夫特(t'Hooft)和他的导师攻克。
他们证明了当时基于规范理论的其它统一模型,都是可重整化的。
这样的一个工作,给YANG-MILLS理论带来了第二次青春,同时也使得他们荣获了1999年的诺贝尔物理学奖。
至今,人们相信描述强,电弱三种相互作用的量子场论,都是可以重整化的。
但是,描述引力相互作用的量子引力,却是无法重整化。
这是当今理论物理界,面临的一个主要困难。
从另外一个角度说,这样的一个困难等价于怎样将量子力学与描述引力场的广义相对论协调统一起来……(1)量子引力的产生虽然量子引力理论的主要进展大都是在最近这十几年取得的,但是引力量子化的想法早在 1930 年就已经由 L. Rosenfeld 提出了。
从某种意义上讲,在今天大多数的研究中量子理论与其说是一种具体的理论,不如说是一种理论框架,一种对具体的理论——比如描述某种相互作用的场论——进行量子化的理论框架。
广义相对论作为一种描述引力相互作用的场论,在量子理论发展早期是除电磁场理论外唯一的基本相互作用场论。
把它纳入量子理论的框架因此就成为继量子电动力学后一种很自然的想法。
1920年,韦尔提出了一个将电磁场和引力场联系起来的电磁场几何化的理论,他的基本想法是:把电磁场与空间的局部度规不变性联系起来。
韦尔的理论不仅没有得到学术界的认可,而且也与实验结果不符。
之后,瑞尼契、惠勒、米斯纳等人也作了很多将电磁场几何化的尝试,都没有获得成功。
人们也曾试图将引力场进行量子化,并从中寻求引力场与电磁场的本质联系,企图用量子论的方法实现引力场与电磁场的统一。
通常经典场论的内容主要包括经典电磁场论即经典电动力学和经典引力场论两个部分,前者指麦克斯韦的电磁场理论,后者指爱因斯坦的广义相对论。
已知场是物质的基本形态,经典电动力学已发展为量子电动力学,那么很自然地爱因斯坦的广义相对论,即相对论性的经典引力场论也应发展为量子广义相对论或量子引力场论。
既然量子电磁场的基态称为电磁真空态,基态的量子电磁场称为量子电磁真空;那么量子引力场的基态就应称为引力真空态,基态的量子引力场就应称为量子引力真空。
科学家们引入引力场量子理论——“引力子”理论。
根据电磁场量子理论,物质间的相互作用(吸引或排斥)是通过交换电磁场量子——光子实现的。
由于电磁力和万有引力都是长程力,与距离的平方成反比,人们通过类似的方法把引力场量子化,把引力场量子叫做引力子,常用符号g表示,引力子具有波粒二象性。
引力场和其他场物质可相互转化,如电子和正电子湮灭时,除以产生光子的方式进行外,还可能以产生两个引力子的方式进行。
人们还推测,引力子的静止质量为零,电荷为零,是自旋为2的以光速运动的玻色子。
长期以来,人们力图通过探测引力波的存在证实引力场理论。
但由于万有引力太弱,相应引力子的能量比光子小的多,探测非常困难。
引力波是否存在,是一个极重大的理论与实验问题,科学家在确认引力波存在的问题上,采取极谨慎的态度,并继续从各方面探测引力波。
此外,人们还设计出能发射引力波的装置。
研究引力波,对进一步认识物质的结构和本性,促进科学技术的发展有重要的意义。
(2)协变量子化和正则量子化引力量子化几乎是量子化方法的练兵场,早期的尝试几乎用遍了所有已知的场量子化方法。
最主要的方案有两大类:协变量子化和正则量子化。
它们共同发源于1967年 B. DeWitt 题为 "Quantum Theory of Gravity" 的系列论文。
协变量子化方法试图保持广义相对论的协变性,基本的做法是把度规张量 gμν分解为背景部分 gμν和涨落部份 hμν:gμν= gμν+ hμν ,不同的文献对背景部份的选择不尽相同,有的取 Minkowski 背景度规ημν,有的取量子有效作用量 (quantum effective action) 的解。
这种方法和广义相对论领域中传统的弱场展开方法一脉相承,思路是把引力相互作用理解为在一个背景时空中引力子的相互作用。
在低级近似下协变量子引力很自然地包含自旋为 2 的无质量粒子:引力子。
由于这种分解展开使用的主要是微扰方法,随着20世纪70年代一些涉及理论重整化性质的重要定理被相继证明,人们对这一方向开始有了较系统的了解。
只可惜这些结果基本上都是负面的。
1974年,G. 't Hooft 和 M. Veltman 首先证明了在没有物质场的情况下量子引力在单圈图 (1-loop) 层次上是可重整的,但只要加上一个标量物质场理论立刻变得不可重整。
12年后 M. H. Goroff 和 A. Sagnotti 证明了量子引力在两圈图 (2-loop) 层次上是不可重整的。
这一结果基本上结束了早期协变量子引力的生命。
又过了十二年,Z. Bern 等人证明——除了 N = 8 的极端情形尚待确定外——量子超引力也是不可重整的,从而连超对称这根最后的救命稻草也被铲除了。
早期量子引力理论,即量子力学和广义相对论相结合的量子引力出现的发散困难无法消除,即不能重正化,可以说至今还没有一个十分完满的量子引力理论。
但是这并未妨碍人们热情地探索引力场量子化的工作,而且还取得了相当的成功。
与协变量子化方法不同,正则量子化方法一开始就引进了时间轴,把四维时空流形分割为三维空间和一维时间 (所谓的 ADM 分解),从而破坏了明显的广义协变性。
时间轴一旦选定,就可以定义系统的 Hamilton 量,并运用有约束场论中普遍使用的 Dirac 正则量子化方法。
正则量子引力的一个很重要的结果是所谓的 Wheeler-DeWitt 方程,它是对量子引力波函数的约束条件。
由于量子引力波函数描述的是三维空间度规场的分布,也就是空间几何的分布,它有时被称为宇宙波函数, Wheeler-DeWitt 方程也因而被一些物理学家视为量子宇宙学的基本方程。
1967年,B.德韦特(DeWitt)应用狄拉克正则量子化方法,对引力进行量子化。
1968年,J.惠勒 (Wheeler)和C米斯纳(Misner)加以发展完善,给出一个类似于薛定谔方程的宇宙波函数方程。
这个动力学方程就是惠勒.德韦特(WDW)方程,从此量子宇宙学兴起。
后来人们把以WDW方程为核心内容的量子宇宙学称为旧量子宇宙学。
与协变量子化方法一样,早期的正则量子化方法也遇到了大量的困难,这些困难既有数学上的,比如 Wheeler-DeWitt 方程别说求解,连给出一个数学上比较严格的定义都困难;也有物理上的,比如无法找到合适的可观测量和物理态。
在建立量子引力理论的途径中,主要出现有两种走向。
一种是把量子力学只和广义相对论即引力作用结合起来,这称为纯引力的量子理论,或量子引力场论,例如半量子引力、圈量子引力等属于此种。
另一种是受了粒子物理标准模型的启发,试图把广义相对论和电磁、弱及强三种作用统合起来,形成所谓的四种作用的超统一理论,例如超引力和超弦/M理论等属于此种。
由于这两种类型的理论,都是有关引力作用的量子理论,所以人们把它们都称为量子引力理论。
由于WDW方程是一个泛函微分方程,在,就必须对宇宙波函数实施边界条件或初始条件,而这些却是十分艰难的工作。
于是人们试图运用量子引力的欧几里德路径积分变换,这是因为此种方法在闵可夫斯基时空量子场论中是一种有效的计算技巧。
量子宇宙学经过艰难的一段停滞后,1979年,S.霍金(Hawking)引进了可由欧几里德路径积分形式表示的跃迁振幅,这种形式的量子宇宙学,称为新量子宇宙学。
在新量子宇宙学中,主要由于宇宙边界条件的差异,出现了哈特尔.霍金和维连金两种不同方案。
1983年,J.哈特尔(Hartle)和霍金提出宇宙无边界假设,通过引入欧几里德函数积分,把正则量子化方法和路径积分量子化方法结合起来,给出了合理的波函数,从而确定了所谓宇宙的量子态。
1985年,A.维连金(Vilenkin)提出宇宙隧道边界条件,认为我们宇宙是从无(Nothing)量子隧穿效应而产生的,波函数仅由在超空间部分的外向模所构成。
无论是哈特尔一霍金的新量子宇宙学,还是维连金的新量子宇宙学,都给出了我们宇宙量子态的波函数,这两种方案都有其成功和不足的。
(3)圈量子引力真空圈量子引力是当前正则量子引力的流行形式,正则量子引力是只有引力作用的量子引力理论,它的基本概念是应用标准量子化手续于广义相对论,而广义相对论则写成正则的哈密顿形式。