引力與宇宙學領域發展態勢_風聞
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引力是自然界中的四種基本相互作用之一，廣義相對論是目前描述引力最成功的理論，但它與量子理論還無法自洽地統一起來。宇宙學是研究宇宙的起源、演化和它的命運的科學。隨着理論物理的發展和現代科學技術的進步，這些年人們對引力本質和宇宙結構和演化的理解有了巨大的進步，引力理論和宇宙學成為理論物理非常活躍的、也是充滿機遇和挑戰的一個前沿領域。
撰文 | 蔡榮根、李理、王少江
一
引力宇宙學領域總體發展現狀
1、引力領域總體發展現狀
引力是人類知道最早的，也是目前認識最少的一種基本相互作用。近代以來，人類對引力的認識主要經過了三次飛躍：從牛頓萬有引力定律到廣義相對論提出，以及最近的引力全息性質的發現（見綜述[1]）。近些年，由於觀測技術的進步，人類不僅聽到了雙黑洞併合的引力波，也看到了黑洞的剪影，引力相關研究進入新時代。尤其是引力波的直接探測，更是打開了認識宇宙的新窗口。然而人類對引力的認識還是比較少，引力的本質仍然是一個重大問題。《科學》雜誌創刊125週年列出了125個重要的科學前沿問題，引力的本質就是其中之一。不僅如此，其他一些問題，比如什麼驅動了宇宙加速膨脹？黑洞的本質是什麼？時間為什麼不同於其他維度？基本物理定律能否統一等，這些重要問題的解決都跟引力的本質密切相關。引力理論和宇宙學的研究涵蓋黑洞物理、引力波物理、量子引力、引力實驗、彎曲時空量子場論、相對論天體物理、暗物質與暗能量、早期宇宙，以及宇宙學探針等重要前沿，相關研究將會推進對自然和宇宙的深刻認識。
廣義相對論的建立塑造了人類的時空觀，啓迪了一系列重大科學發現。到目前為止，愛因斯坦的廣義相對論仍然是最成功的引力理論。它的兩個最重要預言，黑洞和引力波，近些年得到了實驗觀測的直接驗證。基於廣義相對論建立的宇宙學標準模型也取得了巨大成功，解釋了包括宇宙微波背景輻射、輕元素的合成，宇宙的結構和演化等大量觀測事實。廣義相對論甚至也深入到了人們的日常生活，比如導航所用到的全球定位系統，就必須考慮廣義相對論效應的修正。需要強調的是，對於弱場低速情況，牛頓理論是廣義相對論很好的近似，採用牛頓萬有引力和彎曲時空的描述基本是一致的。這也是為什麼在很多場合，比如天體物理和空間物理，牛頓引力仍然被廣泛使用。但是對於強引力場和精度要求很高的情況，就需要採用廣義相對論。
1） 引力波
引力波是時空的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，就像石頭丟進水裏會激起波紋一樣。廣義相對論預言引力波存在兩種獨立極化模式（通常稱為“+極化”和“×極化”），並以光速傳播的橫波。由於牛頓引力常數很小，所以引力波很微弱，這給引力波的探測帶來了極大的挑戰。1916年，愛因斯坦在理論上就預言了引力波，終於在2015年9月14日，美國的LIGO第一次直接探測到了恆星質量雙黑洞併合的引力波信號（GW150914），不僅直接證明了引力波的存在，更直接證實了黑洞的存在，給科學界和公眾都帶來了極大震撼。2017年8月17日第一例雙中子星併合的引力波（GW170817）也被觀測到，開啓了引力波和電磁信號協同觀測的多信使時代。另外，產生強引力波信號的波源需要具有快速變化的質量四極矩，因此，理想的波源包括緻密雙星（黑洞、中子星、白矮星）、星體內核塌縮、早期宇宙的動力學過程等（圖1）。這些強的引力波源大多是暗的，無法通過傳統的電磁手段來探測。也正是由於引力很弱，引力波在傳播過程中幾乎不會受到其他物質的干擾，能夠攜帶引力波源和宇宙膨脹的信息。因此引力波的直接探測提供了一種嶄新的途徑，成為人類窺探宇宙奧秘的利器（見綜述[2,3]）。
不同引力波源會給出不同頻段的引力波，根據目前的探測能力和探測手段，通常把引力波的頻段分為高頻（幾十到幾千赫茲）、中低頻（十萬分之一到一赫茲）、低頻（百萬分之一到億分之一赫茲）和超低頻（小於億分之一赫茲）。對應不同頻段的引力波採用不同的探測方式（圖1）。對於高頻和中低頻波段，當前主流的手段是利用激光干涉來探測引力波。LIGO項目正是利用了這一方法探測到了引力波，該項目的三位領導者美國麻省理工學院的 RainerWeiss教授、加州理工學院的Barry Barish教授和Kip Thorne教授被授予了2017年的諾貝爾物理學獎。由於引力波物理的重大意義，已經成為大國競爭的關注點。地面引力波探測器適合探測高頻引力波，目前有美國的LIGO、意大利的VIRGO、日本的KAGRA、德國的GE600和印度的LIGO-India（在建），第三代地面引力波探測器計劃有歐洲的ET，美國的CE；中低頻波段主要通過空間引力波探測器來探測，在建以及規劃中的有歐洲的 LISA、中國的太極計劃和天琴計劃和日本的DECIGO等。目前中國的太極計劃和天琴計劃的關鍵技術正在積極研發中，第一顆驗證衞星已分別發射成功，關鍵技術得到了驗證。我國也正在積極推進通過脈衝星計時探測納赫茲波段的引力波（FAST）和通過宇宙微波背景輻射的B模極化探測來自宇宙早期量子漲落的原初引力波（AliCPT）。
2）黑洞和引力基本性質
黑洞是一類非常緻密的天體，存在一個稱為事件視界的單向膜，事件視界以內任何物質（包括光）都無法逃逸。天文學家通過監測黑洞周邊的吸積盤或者伴星來確定黑洞的存在。利用黑洞周圍物質輻射出的電磁波，2019年4月10日“事件視界望遠鏡（EHT）”合作組織正式發佈了人類有史以來獲得的第一張黑洞照片（圖2），2022年5月12日EHT合作組織又發佈了銀河系中心黑洞人馬座A*的首張照片，為銀河系中心超大質量黑洞的存在提供了直接證據。在2020年，Reinhard Genzel和Andrea Ghez通過長期監測人馬座A*周邊恆星的運動“發現我們銀河系中心有一個超大質量緻密天體”而被授予了諾貝爾物理學獎。
經典黑洞一個重要特徵是內部存在一個奇點，這種時空奇性幾乎與廣義相對論同時誕生。彭羅斯以及隨後和霍金的工作，在很一般的情況下證明了時空奇異性的形成在廣義相對論中幾乎是不可避免的，這就是著名的奇點定理。彭羅斯也因為對時空奇點的研究而被授予了2020年的諾貝爾物理學獎。由於奇點的普遍存在，研究時空奇性成為廣義相對論中一個非常重要且棘手的問題。為了避免時空奇異性對物理理論帶來的不良影響，彭羅斯提出了宇宙監督假設：弱宇宙監督假設要求遠距離的觀測者不會受到時空奇異性的任何影響，而強宇宙監督假設則希望能夠保證經典理論的可預測性。這兩個宇宙監督假設互相獨立，互不包含。由於宇宙監督假設與時空的整體演化有着密切關係，這導致對宇宙監督的研究要比奇點更加困難。證明或證偽宇宙監督假設是一個相當困難的問題，到目前為止仍然沒有獲得完全解決（見綜述[4]）。時空奇異性和宇宙監督假設成為廣義相對論中的前沿研究領域，存在大量值得深入思考的問題。
考慮量子力學效應，基於彎曲時空量子場論可以發現黑洞具有一個確定的温度和正比於其視界面積的熵，因此黑洞也是一個熱力學系統。黑洞的熱力學熵由著名的貝肯斯坦−霍金熵公式給出
1997年底，Maldacena基於超弦理論提出了AdS/CFT 對應（也稱規範/引力對偶）[5]，給出了引力全息性的第一個具體實例。引力全息對偶具有重要的科學意義。一是對引力本質的深刻認識。著名理論物理學家威騰稱為“對引力認識的概念性變革”；二是基於該對偶性的弱強對偶性質，提供了研究強耦合體系的重要方法，引力全息性質已經被應用到量子色動力學、凝聚態物理、流體力學和量子信息在內的諸多學科，成為引力理論及其相關領域在最近20年來研究最活躍的課題，並取得了一些非常重要的成果。基於對全息對偶的研究，人們認識到黑洞是宇宙中最快速的“量子計算機”，也是最為“混沌”的量子系統，而且揭示時空可能來自於量子糾纏。近期的一個重要進展是對黑洞信息佯謬的理解，即黑洞在形成到相繼蒸發的過程是否滿足量子力學的幺正性（信息守恆）。基於引力全息，一些研究者採用量子極端曲面的半經典方法解釋了黑洞蒸發不會破壞信息守恆[6, 7]。但是半經典理論目前還無法給出信息具體如何從黑洞內部逃逸的機制。為了真正解決黑洞信息佯謬，人們還需要量子理論和廣義相對論的深入統一。
半經典的彎曲時空量子場論可以解釋霍金輻射、霍金温度等，但給不出黑洞熵的量子統計起源。能否真正解釋黑洞熵成為量子引力的一塊試金石。因此，在談及引力本質和黑洞本質時，量子引力是繞不過去的話題。協變量子引力最突出的代表是超弦理論。該理論認為弦是物質組成的最基本單元，所有已知的基本粒子都是弦的不同振動的激發，是目前最有希望將自然界的基本粒子和相互作用統一起來的理論。正則量子引力的代表是圈量子引力，它是在Ashtekar的聯絡動力學表述的基礎上發展起來的，正則變量是威爾遜圈（和樂）和其共軛動量。這種方式避免了使用度規場，成為一種背景無關的量子引力理論。全息原理認為一個量子引力系統與其邊界上某種量子理論等價描述，因此不同於前面的兩類量子化途徑，它可以看成是引力量子化的另外一種實現。在這種圖像下，黑洞自然應該對應於邊界上的某種量子態。值得一提的是，以上三種量子引力方案在解釋黑洞熵的微觀起源方面都取得了一定成功。人們還提出了一些其他量子引力方案。客觀來説，至今為止還沒有一個公認的量子引力理論，相關研究仍在繼續中。
3）類比引力
雖然人們預期在強引力場區域（比如黑洞附近）引力的量子效應將扮演着重要角色，但是基於目前的技術水平，直接探測強引力場區域的量子效應依然是遙不可及。1981年Unruh提出了“類比引力（analogue gravity）”的思想，將彎曲時空中的經典或者量子場的運動規律轉化到實驗室系統的運動規律中來。經過幾十年發展，類比引力已經成為廣義相對論、流體力學、量子信息和凝聚態物理等領域的交叉課題。
聲學黑洞是最早被提出並被研究最多的類比引力系統：在聲波波速與流體流動速度大小相等但方向相反的地方會存在一個與黑洞事件視界相似的分界，產生一個“啞洞”。類似於黑洞的霍金輻射，這個聲學視界預期會自發輻射聲子。2011年，實驗組[8]測量了聲學視界的温度，發現聲學黑洞存在自發熱輻射，但是對該結果的解讀仍存在爭議。理論分析表明，經典物理所主導系統本身的噪聲和經典熱漲落通常遠大於聲學視界的霍金輻射。為了更好地觀察類比引力的量子性質，人們嘗試在量子系統中實現聲學黑洞。2019年Jeff Steinhauer領導的實驗組在玻色−愛因斯坦凝聚體中的聲學黑洞發現了明確的類霍金輻射的實驗證據[9]，如果得到確認，這將是首次在類比引力系統中直接觀測到霍金輻射並測量了相應的温度。
類似於聲學黑洞，也可以在光學材料中實現“光學視界”：通過改變介質折射率，局部介質運動速度超過介質中的光速，從而為介質中的電磁波提供了一個等效的視界。文獻[10]報道了在非線性電介質光纖中對霍金輻射的驗證和測量結果，雖然發現了霍金輻射存在的證據，但是沒能獲得類似於霍金輻射的黑體能譜。反過來，類比引力也可以為人們開發新的光學超材料提供啓發。比如，文獻[11]受到施瓦西黑洞解的啓發，提出了一類特殊的納米光學結構，可以作為彎曲結構中納米光學的基礎，並可用於集成光子電路。
引力全息對偶也為類比引力的研究提供了廣闊的前景。通過對所對偶的量子場論的模擬，可以在經典甚至量子計算系統中來模擬量子引力效應。目前被深入研究的一類系統是Sachdev-Ye-Kitaev模型（SYK模型），它具有“近2維AdS”引力的全息對偶性質，被認為是對偶於引力系統的最簡單的量子多體模型[12]。文獻[13]將SYK模型編碼到一個多量子比特系統中，並從理論上展示如何利用量子電路系統和多項式計算資源有效地模擬其動力學，同時也指出瞭如何通過囚禁離子平台和超導電路來實現該模型。同樣，基於SYK模型，文獻[14]利用谷歌的量子處理器“懸鈴木”（Sycamore）首次實現了對全息蟲洞的量子模擬，朝着在實驗室研究量子引力的目標邁出了一步。類比引力的研究不僅加深了人們對引力本身的理解，同時也為材料物理、凝聚態物理等實驗科學帶來了新的思想和動力。相信類比引力的研究會在將來取得更大的突破。
2.宇宙學領域總體發展現狀
我們可以粗略地將現代宇宙學分為熱大爆炸宇宙學、暴脹宇宙學和精確宇宙學（標準宇宙學模型）三個歷史階段。其中，①熱大爆炸宇宙學在觀測上基於哈勃膨脹定律、原初核合成和宇宙微波背景三個觀測事實，在理論上基於建立在宇宙學原理上的FLRW模型；②暴脹宇宙學在觀測上解決了平坦性問題、均勻性問題和磁單極子問題，在理論上通過慢滾模型預言了宇宙大尺度結構和微波輻射背景來自於原初微小的量子漲落；③精確宇宙學在觀測上基於以Ia型超新星距離階梯測量、宇宙微波背景輻射探測衞星和大尺度結構星系巡天觀測為代表的眾多宇宙學觀測，在理論上確立了一個包含極小的正宇宙學常數、冷暗物質以及能夠產生原初高斯絕熱近標度不變標量紅譜的早期暴脹的六參數標準宇宙學唯象模型，即Lambda-CDM（LCDM）模型，它能夠大致擬合迄今為止從星系尺度到宇宙學尺度對長達百億年的宇宙學歷史的全部觀測事實。但是，作為一個唯象模型，LCDM模型無論在觀測上還是在理論上目前都面臨着迫切需要進一步研究的問題，而這些問題的（部分）解決將導致現代宇宙學的又一次認知變革（見綜述[15]）。
觀測上，標準宇宙學模型作為一個較為粗糙的六參數模型，並沒有完全精確地擬合所有的宇宙學觀測（見綜述[16]），特別是近年來的哈勃常數危機以及相伴隨的物質密度擾動參數 S8 衝突。隨着對哈勃常數的局域直接測量精度越來越高，最新的利用造父變星定標的 Ia 型超新星測量結果，與測量宇宙微波背景輻射（CMB）的普朗克（Planck 2018）衞星對標準宇宙學模型的全局擬合值之間存在5個標準差置信度的衝突。由於其他相互獨立的晚期局部測量值也均大於早期全局模型擬合值，因而任何單一的系統誤差似乎都無法解釋該哈勃常數衝突，故而演變為哈勃常數危機（圖3）。類似地，對 S8 參數的 Planck 2018 測量值也均大於其他晚期測量，如弱引力透鏡、紅移空間畸變以及星系計數觀測等（圖4）。此外，純CMB數據傾向於一個閉合宇宙，這與重子聲學振盪（BAO）給出的平坦宇宙存在衝突，該衝突可能與CMB透鏡參數有關，其物理起源或詮釋暫不得而知。最後，其他諸如大冷斑、半球不對稱性、積分Sachs-Wolfe效應大尺度異常、四極−八極平面排布異常、CMB大尺度低極矩等CMB異常以及其他星系小尺度反常現象（如重子 Tully-Fisher 關係以及質量差異加速度關係）都暗示了標準宇宙學模型可能存在某些內部的不自洽性。理論上，早期和晚期加速膨脹以及暗物質的本質目前還不得而知，超出標準宇宙學模型框架的新物理要素是否存在及其存在形式也不甚明瞭。
1）早期加速膨脹
對早期加速膨脹的研究迫切需要回答的三個主要理論問題是：①是否存在前暴脹機制（給出暴脹的初始條件）？②暴脹方案的具體模型實現是什麼（給出暴脹時期的強耦合能標和哈勃能標）？③暴脹模型和粒子物理標準模型是如何耦合的（給出重加熱温度能標）？其中對第①個問題的研究，目前主要有無邊界宇宙和量子隧穿方案、火劫（ekpyrotic）宇宙、弦氣體模型、反彈宇宙等前暴脹機制，特別是最近由Neil Turok等在洛倫茲量子宇宙學框架下而非傳統歐幾里得路徑積分框架下的研究以及最近重新復活的對德西特（dS）時空的量子引力研究。對第②個問題的研究，目前主要有吸引子暴脹模型和軸子暴脹模型，其中吸引子暴脹模型給出了一大類暴脹模型的一般共性結構，特別是它們在超引力模型中的紫外實現以及在與廣義相對論等價的其他引力表述（如Palatini引力和超平行引力）中的類似構造，而軸子暴脹模型利用弦緊緻化自然預言的類軸子粒子通過其微擾平移對稱性特性實現暴脹並能自然地避免紫外修正帶來的暴脹勢函數的微調問題，從而成為檢驗量子引力理論的實驗田：比如弱引力猜想就對軸子暴脹時期呈現的超普朗克跑動給出了強烈的限制。除了瞬子以外，蟲洞也可以破缺軸子的平移對稱性，因而也與最近討論得頗為熱烈的嬰兒宇宙（baby universe）密切相關。此外，最近其他新提出的沼澤地猜想（swampland conjectures）也對標準（慢滾）暴脹宇宙學的物理圖像提出了挑戰。對第③個問題的研究，由於缺乏超出粒子物理標準模型新物理的線索，目前僅在希格斯暴脹模型中得到詳盡研究，但是由於該模型面臨嚴重的幺正性問題和穩定性問題，並由於其模型預言和 Starobinsky 暴脹幾乎一致，因此現在一般認為需要額外的裏奇曲率標量平方項構成雙場暴脹來解決這些問題。
2）暗物質
對暗物質的研究迫切需要回答的理論問題是：暗物質是否具有粒子物理起源？如果是，構成暗物質的組分是粒子性佔主導還是波動性佔主導？如果不是，構成暗物質的成分是宏觀物體還是修改（湧現）引力效應？對該問題的不同回答將暗物質相應地劃分為四個主要候選者：①粒子型暗物質，特別是弱相互作用大質量粒子，但是對它的直接或者間接探測以及加速器對撞機探測都沒有發現任何暗物質粒子的跡象，因此最近對暗物質的粒子物理搜尋開始轉向並主要集中於波動型暗物質。②波動型暗物質，即超輕標量粒子特別是 QCD 軸子以及其他類軸子粒子，它作為平移對稱性自發破缺產生的贗 Nambu-Goldstone 玻色子以及弦維度緊緻化的 modulus 場，最初是用來解決強 CP 問題，後來被用來作為冷暗物質候選者（特別是 fuzzy 暗物質和自相互作用暗物質）來解釋大尺度結構以及小尺度反常問題（比如 cusp-core 問題、missing-satellite 問題、toobig-to-fail 問題）。此外，類軸子既可以作暴脹場用來驅動早期宇宙加速膨脹，也可以作暗能量用來驅動晚期宇宙加速膨脹，最近還有研究利用類軸子作 relaxion 場解決等級問題以及用來解釋正反物質不對稱性，因此類軸子本身的理論前景也十分廣闊。③宏觀的緻密天體，比如原初黑洞特別是小行星質量區間的原初黑洞在目前的觀測限制範圍內仍然有可能構成全部暗物質（圖5），它的主要產生機制有暴脹模型小尺度增強機制（比如單場的超慢滾拐點、斜拐點、凹凸點、折返點模型以及雙場的超慢滾拐點、曲率子模型和聲速共振模型等機制）以及其他與拓撲缺陷相關的原初黑洞形成機制（比如暴脹時期產生的真真空泡泡在輻射時期變成假真空泡泡從而坍縮為原初黑洞，以及輻射主導時期發生的宇宙學一階相變由於其隨機異步特性誘導原初黑洞形成）。④修改（湧現）引力效應，其中純粹的修改引力方案（特別是唯象的修改牛頓力學方案）與宇宙的大尺度觀測不符，而且由於子彈星系團觀測清晰地顯示出引力質心和發光物質質心的偏離，因此基本排除了純粹修改引力模擬暗物質方案。但是，最近一種被稱為超流體暗物質的具有粒子物理起源的湧現引力方案引起了廣泛關注，這種超流體暗物質除了在宇宙學尺度上表現為軸子暗物質的正常流體，還可以在星系尺度上凝聚為超流體並湧現修改牛頓力學行為，從而解釋星系尺度動力學的一些半經驗規律（如重子性 Tully-Fisher 關係、質量差異加速度關係等其他星系尺度上重子質量−引力質量的強關聯關係）。
3）晚期加速膨脹
對晚期加速膨脹的研究迫切需要回答的問題是：暗能量是否是宇宙學常數？如果是，那麼需要解釋宇宙學常數的精細調節問題（即如何避開温伯格的不可通行定理）。如果不是，需要繼續回答暗能量的動力學行為，它是否會穿過宇宙學常數的狀態參數 w=−1？另外，暗能量也可能是等效的修改引力效應。一般認為暗能量問題與量子引力問題密切相關，一方面，暗能量問題同時具有極大和極小兩個尺度的背景，即對宇宙學常數的量子場論微觀估計，只有在將其應用於滿足宇宙學原理的宏觀宇宙，才會出現與觀測值的巨大偏差，這暗示了真空能量在小尺度上並非常數而時空在小尺度上並非均勻；另一方面，宇宙學常數（在普朗克單位制下）在量級上與哈勃視界的大小基本一致，因此可能存在直接聯繫宏觀和微觀物理的紫外−紅外關係。最後，早期和晚期宇宙的加速膨脹特徵、暗能量和暗物質的巧合性問題以及暗物質在星系尺度上湧現的加速度能標也和當前哈勃常數在同一量級，也暗示了暗能量和暗物質以及早期暴脹之間可能存在共同起源。總之，對標準宇宙學模型本質及其新物理的探索絕非單一要素的修補拼湊而是直接指向終極理論的一攬子解決方案。
二
引力宇宙學領域的發展趨勢和展望
1.引力領域的發展趨勢和展望
不管是粒子物理的標準模型，還是廣義相對論以及宇宙學標準模型，它們還都不是描述自然的最基本的理論。天文和宇宙學的大量觀測指出，目前佔宇宙主要成分的是暗物質和暗能量，而粒子物理標準模型所描述的重子物質僅佔當今宇宙總成分的5%。此外，粒子物理標準模型目前也無法解釋觀測到的物質和反物質的不對稱性。廣義相對論也不可能是關於引力的最終故事，尤其是霍金和彭羅斯證明的奇點定理，宣告廣義相對論將會在極小尺度極高能標下失效；此外，黑洞熱力學和引力全息原理的發現，揭示廣義相對論在考慮量子效應後會得到不同尋常的修正。更為重要的是，引力本身還是由經典的廣義相對論描述的，它給出的經典時空特性與量子理論並不協調，建立一個完整的量子引力理論仍然是現在理論物理學家追求的終極目標之一。
人類經過100年的努力才成功探測到引力波，隨着引力波探測器靈敏度的提高，引力波的觀測已逐漸成為“新常態”，到目前為止人類已經觀測到了100多個引力波事例。引力波為人類進一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一個全新的觀測手段，也為深入研究超越愛因斯坦廣義相對論的量子引力理論提供了實驗基礎。通過探測各個頻段的引力波將開啓引力波天文學、引力波物理以及宇宙學研究的新紀元。更進一步，科學家們可以同時觀測電磁輻射、中微子、宇宙線和引力波去研究宇宙的基本自然規律，多信使天文學和宇宙學觀測時代已經來臨。
除了廣義相對論，物理學家也提出了很多新的引力理論（見綜述[17]），並由此衍生出一些新的預言，比如牛頓引力常數隨空間或時間變化、等效原理破缺、存在“第五種力”等。因此，未來對現有理論的基本假設和規律進行更加精密的實驗檢驗意義重大。除了傳統的檢驗手段，引力波和冷原子精密測量是兩種新的檢測途徑。前者使得人們得以在強引力場和動態時空對各種引力理論進行檢驗，後者是基於冷原子發展的原子鐘和原子干涉儀等精密測量工具。冷原子採用量子物質作為引力測試對象，將量子力學和廣義相對論直接聯繫在一起，有利於直接探索兩大理論適用的邊界。我國空間站提供的微重力環境為冷原子精密測量提供了理想的實驗條件，未來可以在更高的精度對引力理論進行檢驗，尋找超越廣義相對論的新物理。
近些年黑洞的存在性得到實驗觀測的決定性支持，因此理解黑洞的內部結構成為一個重要的科學問題。黑洞內部結構跟時空奇異性、宇宙監督假設等重要問題聯繫在一起，對於廣義相對論的可預測性以及觀察普朗克尺度物理學的可能性非常重要。進一步考慮量子效應，將如何對黑洞內部結構產生影響？奇異性是否還存在？宇宙監督假設的地位是什麼？該如何表述？對這些重要問題的理解無疑會對認識黑洞和引力本質提供巨大幫助。
自從霍金輻射發現以來，黑洞就成為量子引力研究的中心對象。AdS/CFT 對應提供了量子引力對至少一類時空精確的非微擾定義，給出了高維引力和邊界量子系統之間的字典對應，也揭示了量子引力和量子信息之間的深刻聯繫。典型的例子是時空的信息通過全息糾錯碼可以冗餘地存儲在邊界理論中，以及最近半從經典方法解釋黑洞蒸發不會破壞信息守恆[6, 7]。量子黑洞研究的進展暗示了量子引力與量子信息以及量子多體物理之間深刻的聯繫，未來的一些重要問題包括：①邊界系統中一個典型態的引力對應是什麼？②這種對應與火牆佯謬的關係是什麼？③這種對應如何推廣到超出 AdS 的時空，特別是真實的宇宙時空？④黑洞微觀狀態的起源是什麼？⑤是否能夠在實驗室構造幫助理解量子引力問題的模型系統？
未來的研究將在理論和觀測兩個方面深入開展。一方面，人們將繼續從理論上來進行對引力本質的深入研究，探索量子引力可能的實現方式。尤其是黑洞熱力學研究所揭示出的引力、量子力學和熱力學之間的深刻關係，為探究引力的本質屬性提供了重要啓示。另一方面，實驗技術的快速進步和大科學裝置的興建，尤其是引力波天文學和引力波宇宙學的興起，將會極大地促進人類對基本物理規律和宇宙的起源和結構的認識。理論和實驗的相互促進，必將孕育着引力和宇宙學上的重大突破。
2.宇宙學領域的發展趨勢和展望
1）極早期宇宙
對極早期宇宙（輻射主導之前）的探測包括原初引力波、原初非高斯以及其他原初特徵信號在 CMB、星系大尺度結構以及隨機引力波背景上留下的印記，其中：①原初引力波在 CMB 上產生的 B 模極化可以用來確定暴脹時期的哈勃能標（及其導數變化能標） 以及標量擾動進入強耦合區域的能標；②原初非高斯性及其變化行為在 CMB 和大尺度結構的雙頻譜上留下的可觀測信號，不僅可以反映暴脹的具體實現機制，還可以給出暴脹時期其他粒子及其相互作用的信息（輕標量自由度數目，重場自由度數目、質量和自旋），甚至有可能通過量子擾動的初始態、傳播速度和相互作用幫助我們甄別前暴脹機制（如無邊界宇宙、量子隧穿、火劫（ekpyrotic）宇宙、弦氣體模型、反彈宇宙等），從而給出實現量子引力的關鍵信息；③超出最簡單的單場慢滾暴脹模型的近尺度不變的原初功率譜的其他特徵，比如來自偏離吸引子解的振盪行為（比如單場凹凸點和多場拐點以及聲速共振等機制）、在吸引子解附近週期性振盪的背景量所導致的共振行為（比如軸子 monodromy 或者非 Bunch-Davies 真空）以及暴脹時期額外的物質主導或者宇宙學相變等其他前輻射主導時期，都將在 CMB 的各向異性譜、CMB 譜畸變、星系巡天、21cm 線和隨機引力波背景（如標量誘導引力波）留下觀測信號。最後，除了上述觀測暴脹宇宙學研究外，理論暴脹宇宙學研究還包括：①暴脹宇宙學的場論研究（如有效場論參數化），②暴脹宇宙學的弦論研究（如弦論中對德西特解的構造、德西特空間的量子引力研究以及暴脹模型的紫外完備特徵即沼澤地猜想等），③暴脹宇宙學的全息引力研究（如 dS/CFT、dS/dS、FRW/FRW、FRW/CFT 和在 AdS/CFT 內嵌入 dS 或者 FRW 解以及將 AdS/CFT 提升到宇宙的構造等），以及④暴脹宇宙學的量子信息研究（比如原初擾動的糾纏熵等），這些都是當下以及未來對理論暴脹宇宙學研究的發展方向。
2）早期宇宙
對早期宇宙（輻射主導時期至 CMB 時期之前）的觀測主要來自隨機引力波背景以及其他輻射遺蹟的觀測，這是因為暴脹結束後但在 CMB 之前的早期宇宙對光是不透明的，因此主要的探測手段仍然是引力波，特別是來自宇宙學一階相變的隨機引力波背景，它將給出 Peccei-Quinn 相變（諸如 LIGO 等地面引力波探測實驗）、電弱相變（諸如 LISA、太極和天琴等空間引力波探測實驗）、QCD 相變（諸如脈衝星計時陣列和平方公里陣列等探測實驗）以及其他對稱破缺一階相變模型（如 B-L 對稱性破缺、大統一對稱性破缺、超對稱破缺、R-對稱性破缺等）的模型細節，給出尋找超出粒子物理標準模型新物理（比如重子生成機制、禁閉−退禁閉機制等）的線索。此外，除了以上連續對稱性破缺誘導的宇宙學一階相變外， 離散對稱性破缺誘導的宇宙學一階相變還將產生諸如疇壁（domain wall）、宇宙弦、單極子、紋構體（textures）等拓撲缺陷，它們也將產生隨機引力波背景，特別是宇宙弦產生的引力波背景橫跨多個引力波探測區間，如能探測將可以直接檢驗弦理論。最後，對其他輻射遺蹟的探測，除了對 CMB 的極化探測，還有對宇宙中微子背景等其他輕粒子遺蹟背景的探測。目前原初核合成對 QCD 相變後其他輕粒子遺蹟有效自由度數目的限制在 95%置信度上不超過 3.3 個（其中標準模型中微子已經佔了 3.046 個），未來 CMB-S4 探測實驗將對 QCD 相變前 1GeV 的標量粒子敏感，這對於類軸子粒子和重費米子的耦合探測至關重要。未來更高精度的 CMB 探測實驗將有可能限制重加熱後任何與標準模型達到熱平衡的新物理粒子。
3）晚期宇宙
對晚期宇宙（CMB 之後至晚期加速膨脹時期）的觀測主要來自射電觀測（如 21cm 觀測等）、紅外觀測（如詹姆斯·韋伯衞星等）、下一代星系巡天觀測以及更高精度的距離階梯測量。首先，對21cm線的觀測可以重構宇宙從黑暗時代到黎明時期直至再電離時期結束的整個演化歷史，給出暗能量狀態方程參數的高紅移演化，追蹤物質密度漲落的分佈及其物質功率譜指標的跑動，給出第一代發光天體及其結構的信息。特別地，最近發現的速度誘導聲學振盪（velocity-induced acoustic oscillation，VAO）將有可能作為高紅移時期一個乾淨的標準尺來測量高紅移的哈勃膨脹率。其次，最近對局域宇宙的高精度距離階梯測量，特別是利用造父變星定標的 Ia 型超新星的距離-紅移測量，進一步加劇了此前發現的哈勃常數偏差衝突，因此未來利用其他超新星定標方法（如紅巨星支頂端、Miras 星）以及其他與超新星無關的測距方法（如脈澤星、面亮度漲落、重子 Tully-Fisher 關係、強引力透鏡時間延遲、引力波標準汽笛）將有助於釐清哈勃常數危機的實質。最後，對晚期宇宙的星系巡天項目未來將朝向更大天區更深紅移持續推進（比如 DESI、Euclid、WFIRST、LSST，以及即將發射的中國空間站巡天望遠鏡），給出星系尺度上暗物質的精細性質，獲得局域宇宙物質分佈全貌，在更高精度檢驗宇宙學原理和大尺度結構形成理論，給出暗能量和暗物質本質的線索甚至是原初暴脹功率譜的非高斯特徵信號。
對暗物質的研究，我們在此僅特別強調對原初黑洞的研究，特別是小行星質量區間範圍內的原初黑洞作為全部暗物質的可能性。對原初黑洞的理論研究主要集中於原初黑洞的形成機制、產生機制和探測機制（見綜述[18]），其中對原初黑洞的形成機制的研究主要通過數值相對論模擬，主要目標是給出原初黑洞形成的密度漲落超出的閾值，目前的理論興趣是探究原初非高斯性對原初黑洞形成機制的影響；而對原初黑洞產生機制的研究主要是通過在小尺度上修改最簡單的原初擾動功率譜，但是這種小尺度的增強機制往往需要精確微調才能保證原初黑洞的生成，最近有研究發現宇宙學一階相變可以一般化地誘導原初黑洞形成，因此未來仍然值得繼續研究；最後對原初黑洞的探測機制的研究主要通過霍金輻射、微引力透鏡和原初黑洞併合的引力波背景給出，未來應當探索新探測機制來限制目前使原初黑洞作全部暗物質的開放窗口。
對晚期加速膨脹（暗能量）的研究，我們在此僅特別強調對哈勃常數危機的研究，這是因為：①對晚期宇宙的多種局域測量結果（無論是採用哪種對距離階梯的定標方法，還是測量本身是否依賴於距離階梯測距）都系統性地高於來自早期宇宙的全局擬合結果，由此基本排除了某種單一系統誤差導致的可能性；②修改早期宇宙的方案雖然能夠在一定程度上緩解哈勃常數危機，但是基本都會進一步加劇物質密度擾動參數 S8 的衝突，因此仍然需要同時修改晚期宇宙；③單純修改晚期宇宙特別是全局的均勻性修改（不涉及小尺度上非均勻性修改）會受到來自反向距離階梯的強烈限制。因此目前解決哈勃常數危機可行的方案，要麼偏向同時修改早期和晚期宇宙的混合方案，要麼需要我們在擾動階非均勻地修改極晚期宇宙。無論採用哪種方案都需要修改晚期宇宙，從而與驅動晚期加速膨脹的暗能量密切相關。
由於作者的知識所限，以上討論的並不能反映引力和宇宙學領域的發展全貌，對未來研究方向和展望也並不一定完全正確。
作者簡介
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