宇宙充滿了像暗物質和暗能量這樣謎一般的存在,人們不知道它們是什麼形態?由什麼構成?也不知道擴展到了什麼地方,黑洞的末期是爆炸還是蒸發。
自量子力學創立初始之日,在觀測問題方面就存在根本性的缺陷,這就造成了相對論和量子理論的衝突。即使如此,以目前不完善的量子力學也為人類對宇宙本質的認識作出了卓越貢獻。
微觀世界
微觀世界是怎麼樣的?早在一百年前,包括基本粒子物理學在內的量子力學就就達到了原子級別的微觀領域。
在我們的世界,我們的身體以及周圍的物質都是由原子這種極其微小的的粒子構成。原子的中心有原子核,其大小約為原子的百萬分之一。原子核由質子與中子吸附而成,而質子和中子又是由夸克吸附而成。再往後,夸克被認為是無法在分解的基本粒子。現在對基本粒子的理解就僅止於此了。
夸克能影響的距離約為10﹣17米,現在的基本粒子物理學只能解釋在這一空間範圍內的物體。在指責量子力學的不完善之前,應當先讚美它偉大的微觀世界。如今,巨大的粒子加速器實驗已經不會發現違反標準基本粒子物理學的現象了。因為配合實驗,按照標準理論創造「標準模式」,會有這種結果也是理所當然的事。
普朗克長度的世界是什麼概念?
在理解了基本粒子物理學之後,人類是否已經徹底了解微觀世界了呢?這還遠遠不夠。
科學家認為使用現在的量子力學也並不能解釋小於10﹣35米的規模,要想理解這個世界是怎麼樣的。就必須打破現有的量子力學理論,構築新的體系。
10-35米的規模被稱作「普朗克尺度」。它究竟有多小呢?這裡給大家一個基本概念。現在的基本粒子物理學能涉及的尺寸是10-17米,如果我們以超出科學的技術將其擴大至1米的話,擴大率為10-17倍。那麼,如果將原子核擴大到100米的話,原子將達到10萬千米左右,而地球尺寸約12742千米,這是比地球還大的尺寸了。
但即使如此程度的擴大,普朗克長度10-35米也不過膨脹到10-18米而已。也就是說,這還不足夸克本身的大小。
普朗克長度就是如此小的超微觀世界。探尋這個超微觀世界,尋找新的物理法則,也許需要付出足以顛覆整個量子力學的努力,還需要愛因斯坦和薛丁格這種等級的大腦,以及宇宙規模的粒子加速器和100年以上的時間。
量子力學的漏洞
量子力學已經發展到現在的地步,科學家已經將量子力學運用到實際生活中了,比如量子計算機,量子大腦,以及量子通訊,你可能會想量子力學已經快要完善了。如果這樣想就錯了,在超微觀的世界中,量子力學產生了漏洞。
我們在進行細菌和細胞的觀測時,需要使用給它們投射可視光的顯微鏡,而可視光的波長大約是萬分之一毫米。以此類推,要了解萬分之一毫米大小的構造,最低限度需要的可視光要具有光子級別的能量。
原子和分子大小約為百萬分之一毫米,所以不能用可視光觀測,但可以選擇用電磁波觀測,這就可以使用波長為百萬分之一的X射線。那麼,要觀測普朗克長度規模,就要創造波長為普朗克長度的光子,使其適用於夸克、電子或其他光子的觀察對象。
這在目前是不可能的實驗。因為被觀察的對象會吸收這種能量,進而發生分裂等變化,導致難以發出具有與其相匹配能量的光子或粒子。如果能實現這種觀察,就能期待普朗克長度在物理上的新成果了。
我們知道能量含有質量就形成了引力源。現在的粒子加速器所製造的能量基本可以無視引力效果,但波長為普朗克長度的光子的能量就無法無視了。
要用量子力學處理這些變化,就必須考慮在粒子之間作用的引力。處理引力則意味著要處理時空的扭曲,如果能完成這些的話,就能用量子力學解釋黑洞和宇宙大爆炸。
也可以推斷,也許在宇宙大爆炸最初期的高溫、高密度宇宙中,波長為普朗克長度的光子處於到處亂飛的狀態。
但現在的量子力學無法處理這種反應。能應對基本粒子與黑洞的反應,以及宇宙大爆炸初期的方程式並不存在,誰都無從入手。
以現在量子力學的方法無法達到普朗克尺度領域,必須要構造新量子力學,也就是統合廣義相對論和量子力學的理論。不過,這種理論目前還沒人發現。
量子力學的偉大
若未來有人發現了這個新量子理論,那麼,它就成為了可能解決所有問題的超級理論。
比如,黑洞是否會蒸發?
宇宙起源的問題。
消除相對論和量子理論的矛盾
明確人類為何會存在智慧,而電腦卻不會等等。
所有的問題的解決都依賴於未來理論的發展,那麼,將會是誰會在什麼時候能發現這一新理論呢?