非各向同性时空中的引力与量子场论若干问题

The consistency level of standard cosmology LCDM with geometrical data probes has been increasing with time during the last decade. Despite of these success,there are some puzzling conflicts between the standard cosmology preditions and dynamical data probes. These challenging to standard cosmology include: Large scale velocity flow (LCDM predicts significant smaller amplitude and scale of flows than what observations indicate)；Alignment of multipoles in the CMB angular power spectrum；Large scale alignment in the QSO optical polarization data；as well as Profiles of cluster haloes. The spatial variation of fine structure constant α has also been claimed to be found in quasar absorption spectra by Keck-Hires Telescope (Keck) and Very Large Telescope (VLT). All these observations challenge the spacetime symmetry (Lorentz symmetry) hypothesis, that is the basis of quantum field theory. In fact, a few years ago, S. L. Glashow suggested that the spacetime symmetry may be isomorphic to a subgroup SIM(2) of Lorentz group. The theory with SIM(2) symmetry is refereed as Very Special Relativity (VSR). VSR has radical consequences for neutrino mass mechanism. G. Gibbons et al. pointed out that VSR is Finsler geometry. New geometry involves new spacetime symmetry, and it provides new sight on the foundation of quantum field theory. This research project studies the quantum field theory and gravity in an anisotropic spacetime within the framework of Finsler geometry. We should try to describe observations on bullet clusters,large scale velocity flows and alignment of low multipoles in the CMB angular power spectrum in the framework of quantum field theory and gravity on an anisotropic spacetime.

高能物理标准模型与宇宙学LCDM模型都基于一个基本假设：时空是均匀各向同性的。至今为止的加速器物理实验与精确天文观测数据都与标准模型与LCDM模型一致。但物理学家与天文学家近几年也的确发现一些时空非各向均匀的证据，包括400km/sec左右大尺度速度流、宇宙微波背景辐射角功率谱的低极矩有序取向等。澳大利亚天文台发表的类星体观测结果表明精细结构常数可能存在所谓的"澳大利亚偶极"结构。这些实验证据促使理论物理学家研究非各向同性时空中的引力与量子场论。实际上十多年前格拉肖就提出了基于洛伦兹对称性破缺的量子场论用于讨论中微子质量问题。随后剑桥大学的吉布斯明确指出格拉肖量子场论模型的时空背景是芬斯勒几何。本项目在芬斯勒几何框架内研究非各向同性时空中的引力与量子场论，讨论包括子弹星系团、大尺度速度流、类星体极化矢量大尺度取向在内的实验观测现象与芬斯勒引力的关系。

普朗克卫星第一批观测数据表明的确可能存在大尺度时空各向异性。实际上超新星观测数据也支持存在一个宇宙膨胀最大速度特殊方向。澳大利亚天文台对类星体的长期观测发现精细结构常数存在一个偶极结构。这三类完全不同的天文观测给出的时空特殊方向在测量误差范围内几乎重合。这暗示也许我们的宇宙真的并非各向同性。按照爱因斯坦的观点引力与时空的描述可以几何化。非各向同性时空的框架应该是Finsler几何。我们课题组坚持Finsler几何与引力研究。获得第一个严格的Finsler时空引力方程的黑洞解。为子弹星系团、强引力透镜效应研究提供了严格背景。我们用偶极最佳拟合法与半球比较法对比研究了超新星观测确定的宇宙膨胀各向异性，考虑了伽玛暴观测数据的影响。超新星在天球坐标中的不均匀分布在不同模型中都对确定最大膨胀速度方向产生影响。确定时空各向异性的准确参数需要不同实验数据、不同模型方法共同配合。最近几年包括超新星、类星体、宇宙微波背景辐射的精确天文观测都表明存在大尺度时空各向异性，我们的宇宙可能并不是各向同性的，有可能存在一个所谓的魔鬼轴心。以爱因斯坦广义相对论、各向同性宇宙学原理为基础的标准宇宙学模型可能需要某种程度的修改。一个合理的猜测是标准宇宙学中的暗物质、暗能量成分可能与宇宙大尺度各向异性相关联。我们研究组多年来一直致力于发展一个基于Finsler几何的各向异性宇宙学模型。Finsler几何自然存在一个特殊时空指向。我们期待这个特殊几何指向标明的正是所谓的宇宙魔鬼轴心。前些年我们研究了超新星、宇宙微波背景辐射、类星体天文观测对Finsler宇宙学模型的检验。在大尺度上Finsler几何模型在没有暗物质、暗能量假设条件下与天文观测数据吻合。需要进一步工作的是星系与星系团尺度上标准宇宙学模型与Finsler几何宇宙学模型的竞争检验。实际上，很多研究表明标准宇宙学模型并不能很好描述星系物理观测，虽然暗物质模型正是在星系尺度研究中引进的。对星系物理最好的唯象模型是Milgrom提出的MOND理论。但MOND理论不能描述宇宙大尺度观测。我们给出了一个MOND理论的Finsler几何表述，Finsler引力可以在特定条件下导出MOND理论。我们使用最新的SPARC星系观测数据找到一个与其它大尺度观测数据一致的宇宙轴心。这样Finsler引力不但可以描述宇宙大尺度物理观测，也与星系尺度物理一致。