為什麼相對論和量子力學無法兼容?

2021-02-08 鍾銘聊科學

「相對論是科學,量子力學也是科學,為什麼兩者不能互相解釋呢?誰更科學?」,這個問題要比我們想像中的複雜一些,我們來一層層得地看。

首先,相對論分為狹義相對論和廣義相對論。

狹義相對論

愛因斯坦統一了時間和空間,認為它們不是分立的物理量,並提出了四維時空的世界觀。

除此之外,愛因斯坦還統一了能量和質量。他認為能量和質量是一回事,是一體兩面,是我們用什麼方式測量的結果而已,於是,他給出了質能等價公式:E=MC^2

廣義相對論

至於廣義相對論,其實我們只要了解它是一種描述引力本質的理論即可。愛因斯坦在廣義相對論中,還提出了著名了場方程。

並且他基於場方程預言了引力波,科學家史瓦西預言了黑洞。

總體來說,相對論其實是一種描述大尺度,這個尺度有以下幾個特點:

達到了10^8光年的尺度;速度與光速達到同一數量級,並且越接近光速,相對論效應越明顯;引力巨大時。在這三種極端條件下,相對論預言的結果和現實觀測擬合得十分完美,遠遠超過牛頓力學的描述。比如:愛丁頓之所以在日全食時,觀測光線偏折,就是因為太陽附近的引力巨大,相對論效應明顯。

量子力學

至於量子力學,是一群科學家共同努力的結果,第一批是普朗克和愛因斯坦;第二批則是波爾,波恩和索莫非;第三批是海森堡,薛丁格,狄拉克和泡利等人。

而量子力學其實時描述微觀世界的物理學,尤其是在亞原子尺度上,牛頓力學在這個尺度上同樣遭遇了誤差極其大的情況。而量子力學可以很好地描述亞原子世界的物理現象,並且可以預測。

尺度不同

所以,我們很容易發現,相對論和量子力學都是科學,它們都具備科學理論所需要具備的特質,首先是對於研究對象都有嚴格的定義和描述。其次,都是利用數學預言描述理論,並且都得到了實驗和觀測的證明。同時,它們也都提供了可被證偽的方法。(當然,現在還無法被證偽)這也就是說,它們是堅實的科學理論,不存在誰更科學地說法。

只不過,它們描述的尺度極大的不同,相對論描述的引力巨大,尺度巨大,速度巨快的尺度下的物理學現象。而量子力學則是描述在亞原子,也就是納米級以下的物理學現象。兩者的尺度差了得有20個數量級。

狹義相對論與量子力學的聯姻

但並不是說,雙方就沒有辦法相互結合,實際上是可以的。

首先,牛頓力學其實是相對論和量子力學在宏觀低速下的近似。所以,牛頓力學是可以用相對論和量子力學來詮釋的。

其次,狹義相對論和量子力學已經被很好地進行結合,狄拉克就結合了狹義相對論和量子力學,提出了量子場論。

這是1927年,狄拉克在他的論文《描述輻射的發射和吸收的量子理論》提出來的,並且量子電動力學也是在這篇論文中被提出,他還預測了存在電子的反粒子,也就是正電子,這後來也被實驗所驗證。而量子場論通過把「場」進行量子化,解決了量子力學中非定域性的問題,並且這個結果滿足了洛倫茲協變論。後來,量子電動力學也引發了科學革命,粒子物理標準模型也激素hi在量子電動力學的基礎上發展起來的。

這裡多補充一句,這當中的概念後面還要用到。所謂的定於定域性原則是指:任何的物理學效應都不可能超光速傳遞。而非定域性,正好是和定域性原則相反的,說的是在量子力學中,在處於糾纏態的體統中,粒子之間的相互作用是可以超光速的。所以,其實狹義相對論和量子力學已經有了很好的結合。

廣義相對論和量子力學的矛盾

由於廣義相對論沒有辦法重整化,所以,目前來說,廣義相對論和量子場論還不能完全相容。當然,科學家一直都在致力於將兩者進行結合,這也是目前理論物理學研究的一個方向之一。之所以兩個理論進行相容特別難,我認為有以下幾個原因:

之前也說到,廣義相對論是描述引力本質的理論,惠勒就曾經有一句話很好地概括了廣義相對論對於引力本質地解釋,那就是:

時空告訴物質如何運動, 物質告訴時空如何彎曲。

這裡的時空指的是四維時空,但是量子場論中,這時空觀就不同了,量子還有自旋空間,而且量子場論和廣義相對論對於時間的描述方式也是不可協調的。所以,由於兩者時空觀上的差異,使得量子場論和廣義相對論不容易被調和。這裡就說這一點,其實兩者在黑洞相關的物理學理論,以及普朗克尺度下也都有出現了無法調和的矛盾。這也是為什麼「引力子」理論一直無法納入到粒子物理標準模型的原因。

最後,我們來總結一下:量子力學和相對論描述的是不同尺度下的物理學,量子力學描述的是小尺度上的,小於納米級以下的物理學現象,而相對論則描述的是大尺度下的物理學現象。他們都是科學,不存在誰更科學的說法。

在狄拉克的努力下,狹義相對論以及和量子力學結合,有了量子場論。而廣義相對論與量子力學的結合目前來說還困難重重,而科學堅信,兩者是可以融合的,只是我們目前還不知道背後的機制而已。

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