為什麼科學家非要統一相對論和量子力學?沒統一會帶來哪些後果?

2021-01-15 騰訊網

物理學家的統一大業

按照目前主流的科學認識,近代科學起源於文藝復興時期的歐洲,從哥白尼革命開始,伽利略實現的近代實驗科學的奠基,第谷和克卜勒讓天文學和佔星術徹底分家,牛頓則是將那個時代的龐雜的知識進行集大成,確定了科學的範式。

從這時起,科學開始飛速發展,持續至今大概是300多年的時間。在這300多年的時間裡,物理學家這個群體一直都有一個夙願:大一統理論。無論是牛頓還是愛因斯坦都曾努力做出大一統理論,但他們都失敗了。

這個大一統理論指的就是僅僅利用一個理論,就可以解釋宇宙中所有的物理學現象。反觀我們現在的物理學體系,現代物理學有兩大支柱:相對論和量子力學。但是兩者之間只有狹義相對論和量子力學進行了很有效的結合,由此得到了量子場論。而廣義相對論和量子力學至今還格格不入。

按照目前的認知,宇宙中一共存在著四種基本作用力,分別是強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用。物理學家認為只要統一了這四種作用就可以得到大一統理論。

可是一直到現在,弱相互作用和電磁相互作用得到了統一,強力只能勉強算是和弱相互作用、電磁相互作用統一。但實際上這不是弱相互作用、電磁相互作用那樣的統一,更不要說引力相作用了。科學家一直是在試圖利用「引力子」理論來把引力相互作用也納入到其中,結果理論和實際現象相距甚遠,以至於科學家放棄了這個想法。

雖然「引力子」理論失敗了,但是科學家不可能放棄把四種作用力統一在一起。因為科學每一次躍進都是依靠著「統一」,這其實從引力的發展也能看出來。

格格不入的「引力」

最早的引力理論是牛頓的萬有引力定律。這個理論認為引力是一種超距作用,換句話說,引力是瞬間完成傳遞的。如果太陽突然消失了,那牽引地球的引力就會瞬間消失,這時候地球就會沿著軌道的切線方向飛出去。

牛頓的萬有引力定律讓我們知道,地球上的物理學定律和宇宙中的天體運動其實是一回事,這其實也是一次物理學理論的統一。

後來,麥克斯韋提出著名的麥克斯韋方程,這也是一個物理學理論的統一,實現了「電」和「磁」的統一。

再後來,1905年,愛因斯坦提出了著名的狹義相對論,在狹義相對論當中他實現了「時間」和「空間」的統一,在同年發表的質能等價理論當中,他又統一了「質量」和「能量」。

我們會發現,能夠躋身物理學前三的物理學家都實現了物理學理論的統一。到了1915年,愛因斯坦提出了著名的廣義相對論,這也是如今解釋引力的主流科學理論。在這個理論當中,愛因斯坦提出引力現象的產生,事實上這本質上是時空彎曲的結果。

我們來舉個例子,月球會繞著地球轉,按照廣義相對論,是因為地球壓彎了時空,而月球繞著時空的「側地線」在運動,這裡的「測地線」是四維時空的「直線」,也就是兩點之間的最短距離。

在廣義相對論中,愛因斯坦提出了著名的等效原理,把物體受到引力作用與物體在加速度狀態下的物理學規律進行了統一。

科技的「原動力」

物理學大廈的建立,依靠的就是一次次物理學理論的統一。即便現在解釋引力的是時空扭曲,但是科學家依然不會去放棄把四種作用力統一在一起。因為放棄這個觀念,就相當於放棄了科學的發展。我們也知道,如今世界各國都在大量投入科學經費,就是期盼著類似於牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦提出的這種統一理論可以發生在自己的國家,這樣可以大幅度推進科學的進步。同時,科學一旦進步了,必然會作用於科技,使得科技突飛猛進的進步。

第一次工業革命就是得益於牛頓力學和熱力學的發展;第二次工業革命、第三次工業都是得益於麥克斯韋電磁學的發展;而近代的航天技術和通信技術的發展,得益於相對論和量子力學的發展。

每一次科學的發展所帶來的技術爆炸,都帶來了整個社會在效率上大幅度的發展,並且帶來巨大的經濟利益。在這些利益的驅使之下,無論是科學家還是政府都會熱衷於把科學理論進一步地發展。而廣義相對論和量子力學的統一就是科學理論發展路徑上極其重要的一環,因此,人類不會放棄這個想法。

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  • 為什麼量子力學和相對論有矛盾?超弦理論或將統一物理學
    這種情況直到20世紀才被打破,牛頓力學遲遲解決不了黑體輻射和光速不變這兩朵物理學天空中的烏雲,這兩大問題的解決也分別催生了量子力學和相對論。相對論和量子力學都可以說是人類智慧的結晶,它們都經過了最嚴格的實驗驗證,都是當前最成功的理論。
  • 《量子力學與相對論可能存在的統一模式》(論文)
    量子力學與相對論各自擅長領域不同,一個善於內察,另一個善於遠觀;遠觀之後是內察,內察之後要求宏觀表現;如黑洞發現與機制探索,相對論方程一個解的結論到天文上對黑洞的發現確認,霍金關於黑洞無毛與霍金輻射的論證,可以說天文黑洞存在與狀態發現源於相對論指導性成果(不能低看天文工作),對天文黑洞機制與演變認識分析源於量子力學成果
  • 量子力學和廣義相對論相互矛盾,它們能調和統一嗎?
    但是,當我們開始思考大問題時(今天要回答的量子力學和廣義相對論能否調和),我們的自信直線下降。量子力學與行星無關嗎?廣義相對論是能量等於質量乘以光速平方倍(E=mc^2)的相對論嗎?運動是相對的還是永恆的?時間是什麼?不要害怕,雖然這個問題很難回答,但是這個問題本身就像解密流行歌手的歌詞一樣簡單。
  • 量子力學和相對論最大的矛盾:時空是不是連續的?誰才是正確的?
    而量子力學的提出,更是讓整個科學界產生了革命性的變革,加快了人類社會的進步,很多科學理論在量子力學之下,非常容易地就被驗證。 相對論和量子力學的誕生 在1905年,愛因斯坦提出了狹義相對論,將時間和空間統一在了一起,改變了當時的絕對時空觀念,認為所有的時空的可以是相對的時空,根據不同的參考系,時間和空間的狀態可能個不相同。
  • 相對論和量子力學是相輔相成還是水火不容,科學家:未來或將統一
    現在科學有兩大基本理論,第一個為愛因斯坦創立的相對論,第二便是由N個人創立的量子理論。雖然在日常生活中牛頓力學已經可以勝任大多數的問題,但是在微觀世界來看牛頓力學僅僅是一種極為特殊的現象,此時量子力學便粉墨登場。首先我們來說一說相對論的主要產物,他就是黑洞。
  • 非專業人士為什麼要學習量子力學?
    為什麼要學習有功利的和非功利的兩種答案。 從功利的角度來說,學習量子力學非常有用。 非專業人士學習量子力學有什麼作用呢? 掌握一定的量子科學知識,一方面可以增加茶餘飯後的談資,顯示自己的高雅;二是可以防止上當受騙。 人類在宇宙之中生活,與量子力學息息相關。
  • 如果牛頓還活著,他能統一廣義相對論和量子力學嗎?
    愛因斯坦是能夠和牛頓齊名的偉大物理學家,晚年的愛因斯坦致力於統一幾種相互作用,但是沒有完成。在他之後,幾位物理學家完成了部分統一。更為關鍵的是,牛頓的成功有著明顯的時代因素,科學發展到了他那個時代就預示著要有新的突破。牛頓是抓住了機遇的那個時代的幸運兒。
  • 量子力學雖然提出來了,但是又沒有統一全球
    我們都知道,量子力學是一種分類物理學,有很多根本性的科學理論,其中量子力學比較重要的幾大理論有:薛丁格方程、相對論、量子色動力學、量子場論、量子糾纏和量子信息等等。這些理論都各有各的缺陷和不足,導致量子力學雖然理論上很重要,但是實際應用卻不太好,量子力學和物理學的很多理論一樣,在物理學中都無法統一全世界,也就是說它們在不同的物理學理論中都可以有一個完整的定義,但是卻並不能說能夠有一個定義能在所有理論中使用。更準確的說法是:量子力學雖然提出來了,但是又沒有統一全球,所以很多科學理論就是這樣,分別定義然後出現各種各樣的問題。
  • 量子力學與廣義相對論以及弦理論
    現代物理學有兩大基石,量子力學與廣義相對論,那麼在這其中,量子力學是用來解釋微觀世界的理論。量子力學的法則支配著微觀世界的原子和基本粒子的行為,想知道電子光子等基本粒子如何運動,以及它們與什麼樣的力發生相互作用的話,就必須要用到量子力學。
  • 量子力學與廣義相對論
    量子力學和廣義相對論是目前人類描述微觀世界和宏觀世界的兩套比較精確的理論。然而這兩套理論卻是各自為政的,量子力學掌管著微觀尺度,而廣義相對論則掌管著宏觀尺度。然而問題來了,微觀跟宏觀的界限在哪裡呢?也就是說多小的尺度才是微觀?
  • 量子力學和相對論之間究竟存在著什麼樣的關係?
    首先來說,愛因斯坦的相對論分為兩個部分:狹義相對論、廣義相對論,狹義相對論主要解釋了牛頓經典力學在宏觀高速世界無法解釋的一些現象(針對於慣性系),而廣義相對論是狹義相對論的推展(非慣性系、起伏、不斷漲落的,這種現象被稱為量子漲落,它是指在空間任意位置對於能量的暫時變化,這種能量的暫時變化會出現在空間中的任何一個地方,所以說相對論是一種絕對論理論,而量子力學的不確定性原理則更像是一種概率學。
  • 量子力學和相對論格格不入,是因為我們的宇宙有兩套物理法則嗎?
    現代物理科學中最大的兩大支柱,一個是愛因斯坦的相對論,還有一個就是量子力學。愛因斯坦是20世紀最重要的科學家之一,被譽為「現代物理學之父」,他提出的相對論這一理論改變了從本質上對空間和時間的概念。而量子力學的提出,更是讓整個科學界產生了革命性的變革,促進了科學社會的進步。什麼是相對論呢?簡單來說,相對論的籠統概念就是物理定律在任何地方都是相同的。比如在地球上我們遵循引力定律,而與宇宙遙遠角落裡的外星人(如果存在)那就是一樣的。
  • 如果相對論錯了,會有什麼嚴重後果?300年的科學發展將被傾覆!
    所以,如果有人真的有石錘證偽相對論,根本不可能瞞著,瞞著對自己一點好處都沒有。所以,假設相對論錯了這件事其實已經屬於「科幻事件」了。相對論大概率上是不可能出現錯誤的。不過,這並不妨礙我們思考一下相對論錯了,到底會帶來什麼後果?相對論錯了,那會有什麼嚴重後果?
  • 在未來,廣義相對論和量子力學有可能統一嗎?科學家是這樣看的
    廣義相對論和量子力學不可調和我們要想真正理解黑洞、時間的起源和空間的本質,需要在某種程度上結合廣義相對論和量子力學的理論,但是,這兩個理論在本質上似乎是不可調和的。科學家們始終相信,在未來的某一天,現代物理學的兩大支柱——廣義相對論和量子力學一定會交融到一起。目前,廣義相對論和量子力學都分別取得了偉大的成就,但是它們看起來卻不可調和。
  • 為什麼時至今日,仍然沒有人能統一四大基本力?
    一直到科學家發現強作用力和弱作用力之前,人類認為只有引力和電磁力兩種力,於是科學家們嘗試兩種力之間存在的聯繫,即建立起統一理論。之後愛因斯坦做到了這一點,他提出的廣義相對論往電磁力中引入了場的理論,從而使得電磁力和引力統一了起來。在弱作用力和強作用力被發現之後,科學家們又在思考,是否能夠將四種基本力都統一起來呢?
  • 量子力學和相對論的百年矛盾!超弦理論能否使其化幹戈為玉帛?
    直到1900年標誌的量子力學和1905標誌的相對論興起,牛頓力學的神壇地位才有所動搖。嚴格來說牛頓力學已經被這兩大理論遠遠超越了。 牛頓力學不能解釋的微觀世界託付給了量子力學,牛頓力學不能解釋的高速世界託付給了相對論。牛頓力學雖還能解釋的低速世界,但相對論可以的更詳細。只不過考慮到學習的難易程度,我們在低速宏觀領域依舊選擇了牛頓力學。
  • 為什麼相對論比量子力學更容易被人接受?
    相對論和量子力學是上個世紀物理學建立起的兩座科學大廈,物理學也就此從經典物理學跨入現代物理學。相對論給人類帶來了全新的時空觀,廣義相對論將引力進行了幾何化處理。量子力學的建立使人類認識到世界是不連續的,量子世界中的反常與人類的日常生活經驗總結完全不相符。
  • 量子力學和廣義相對論的時空背景有何不同?
    量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩根支柱,但是大家應該也聽說過了,這兩個基礎理論是水火不相容的!廣義相對論廣義相對論,沿用了愛因斯坦大學時的數學老師閔可夫斯基(Hermann Minkowski)將空間、時間統一為四維流形的方法。同樣,空間、時間是作為一種獨立的背景框架加入到理論中的。
  • 為什麼廣義相對論與量子力學無法統一?愛因斯坦自己也無法做到
    我們再也不能將現實描述為由具有明確定義的屬性(如位置和動量)的單個粒子構成。相反,我們進入了量子的領域:在那裡,基本的非決定論統治著我們,我們需要一個關於自然如何運作的全新的描述。但即使是量子力學本身也有失敗之處。他們從一開始就註定了愛因斯坦最偉大的夢想——對現實的完整、確定性的描述。這是為什麼。
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