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量子力学和相对论,起初和谐共处,后来分道扬镳

 无上科学信仰 2020-12-08

量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱,无论是量子力学,还是广义相对论,它们所描述的所有结论都是无懈可击的,有趣的是,它们在各自的领域无懈可击,却相互格格不入。

笼统来讲,广义相对论所认知的世界是均衡的,而量子力学所描述的世界是剧烈涨落的,二者存在着根本性的矛盾。不过这是后来的事情了,最开始,相对论和量子力学是可以和谐共处的。我们习惯于将广义相对论简称为相对论,事实上相对论包含了狭义相对论和广义相对论两个部分,二者的先后提出相差了10年之久。

狭义相对论和广义相对论的主要区别就在于两个字,那就是引力。

狭义相对论并没有将引力考虑在内,其所描述的运动是处于惯性系之中的。由于没有引力的参与,所以狭义相对论可以在时空平直的状态下发挥作用,这就使得狭义相对论和量子力学并没有任何矛盾之处,这个时候的相对论和量子力学其实是可以和谐共处的,二者不仅能够和谐共处,事实上狭义相对论还为量子力学提供了不小的帮助。

在狭义相对论中,爱因斯坦为我们描述了时间膨胀效应,就是运动中的物体会产生惯性质量,而惯性质量又是等效于引力质量的。

所以物体的运动速度越快,其惯性质量就越大,其时间就会越慢。

我们知道,量子力学是研究微观事物的,在微观世界中,电子以及各种高能粒子,它们的运动速度都是极高的,特别是中微子,其运动速度非常接近于光速。

而这些粒子显然都是具有质量的,因此在高速运动的状态下,它们都拥有着极高的惯性质量,也就是说它们周围的时间都极为缓慢,如果不考虑狭义相对论所描述的时间膨胀效应,那么我们所计算而出的粒子寿命就会出现巨大的谬误,因为这些高速运动的微观粒子的时间流逝速度和我们的并不相同。

于是,在狭义相对论的帮助之下,科学家们利用了一个公式精确计算出了电子高速运动的时间,这个公式就是狄克拉公式。

由此可见,狭义相对论和量子力学不仅相融,而且是高度契合。而与量子力学真正格格不入的是后来的广义相对论,多年以来,爱因斯坦一直尝试将引力融入到相对论之中,却始终未能如愿。

于是爱因斯坦展开了新的思考,放弃了时空平直的观念,将引力描述为时空弯曲,于是引力由一种力变为了一种几何效应,后来证实爱因斯坦的思考是完全正确的,作为一个严密的逻辑链,广义相对论所描述的所有结论都一一得到了证实。

然而,正是因为引力的本质是一种几何效应,而非一种力,所以其与其它的三种基本力根本无法融合在一起,电磁力、强核力和弱核力。

任何一种力的传播都需要传播子,而引力恰恰没有,或者说没有被发现,这也就导致广义相对论可以完美的阐释所有引力效应,但如果将其融入量子力学后就会发现处处矛盾。两种无懈可击的理论却就是不能相容,这其实是一件很令人费解的事情。

有科学家认为无论是量子力学还是广义相对论都不是宇宙的真正规律,宇宙间必然存在着某种统一场理论能够将四种基本力统一起来。

也有科学家认为,量子力学和广义相对论其实就是宇宙的真正规律所在,它们的矛盾是源于研究尺度的问题,如果物质的最小单位并不是基本粒子,而每一个基本粒子实际上是由一条条“弦”所构成的,那么在这个“弦”的尺度之上,广义相对论和量子力学便能够消除矛盾统一在一起。只可惜,现在还无法证明这个“弦”的存在。

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