廣義相對論與量子力學的終極矛盾——黑洞奇點

2020-11-26 星宇飄零

史瓦西半徑是根據廣義相對論的史瓦西解得到的一個半徑公式,用於計算光速不能逃逸的臨界半徑,科學家稱這個臨界半徑包裹的球形區域為黑洞。

黑洞

根據廣義相對論,當大重量恆星結束核聚變,中心會坍縮到史瓦西半徑以內而形成黑洞,根據英國物理學家彭羅斯和霍金證明的奇性定理,黑洞中心會產生一個體積無限小,密度無限大的奇點,在奇點處時空終結,物理規律失效,這是一個預言中的奇異點,實際存不存在無從驗證,因為它永遠被黑洞視界包裹著,黑洞視界阻止了外界獲取內部的任何信息。

在空間尺度上,黑洞一般屬於宏觀「物體」,經過恆星坍縮自然形成的黑洞半徑應在10km以上,所以屬於宏觀;而中心的奇點體積無限小,則屬於微觀。然而通過恆星坍縮自然形成的奇點的質量很大,一般在三個太陽質量以上,所以實際上它的不確定性很小,也就是說奇點雖然屬於微觀,但似乎又不存在不確定性,因為它的位置和動量都非常容易確定,雖然它實際上是無法測量的,但是我們仍然可以通過測量黑洞來對其進行間接測量:根據黑洞的視界能確定黑洞的質量,而根據黑洞的質量能確定奇點的質量,又根據其移動速度確定其動量;通過視界能確定黑洞的邊界,而奇點就位於黑洞的中心點上。因此,奇點的位置和動量都同時確定了,不確定性原理在奇點上不成立!

奇點的位置和動量可以根據黑洞測量

這就很尷尬了,它從尺度上判斷,明明屬於微觀,但卻又不具有微觀粒子所應該具有的不確定性……

那究竟奇點是屬於微觀還是屬於宏觀呢?在尺度上它屬於微觀,然而它卻讓不確定性失效了……因此如果按照量子力學,奇點是不可能存在的,也就是量子力學不允許奇點存在,就像不允許絕對零度存在一樣。然而按照廣義相對論,奇點必然存在!那我們究竟信誰的???

奇點

可以說,在目前的物理理論裡,沒有比奇點問題上所產生的更大的衝突了,這是廣義相對論和量子力學矛盾的重災區,目前看來這種矛盾是不可調和的,因此科學家正期待一種能統一廣義相對論和量子力學的理論誕生,名字都給它想好了,就叫——量子引力理論。這一理論將能預言微觀尺度下的引力效應,能預言奇點處的物理現象,如果這一理論能誕生,理論物理學家將能揭示宇宙大爆炸「前」奇點的物理機制,可以全面揭開宇宙大爆炸的未解之謎。

目前,進行理論嘗試的量子引力候選理論有很多,比如比如比較著名的有圈量子理論、超引力理論、M理論等。這些候選理論除了理論自身的困難外,最大的困難在於理論預言和實驗驗證上,由於廣義相對論和量子力學只有在超高能量狀態下才有可能取得統一,因此驗證這些理論都不可避免的需要超高的能態,這似乎在目前人類科技下是無法完成的任務。

驗證量子引力理論需要超高能量

量子引力理論前路漫漫,期待科學界出現下一個愛因斯坦能取得理論突破!

相關焦點

  • 黑洞中的奇點,用相對論和量子力學都無法解釋,它真的存在嗎?
    而宇宙大爆炸的「奇點」,我們先不說,因為它更特殊。引力奇點的存在,是廣義相對論預言的一種現象。我們知道,廣義相對論其實是一種幾何學,所以奇點它是一個幾何上的一個點,所以說它沒有大小。不過原則上,它也可以是一維的線或者二維的膜。像之前說的,克爾黑洞這類,軸對稱的黑洞裡就不是點,而是環。
  • 廣義相對論和量子力學打架的黑洞奇點,真可能通向另一個宇宙嗎?
    至此黑洞已經完美印證了廣義相對論的推斷,當然它不是第一個,最早是水星進動驗證,而後是日食光線彎曲驗證,但黑洞成像技術實在要求太高,100多年後才目睹黑洞真容!黑洞的時空特性,它會連接另一個宇宙嗎?廣相大到可以計算整個宇宙的形狀(弗裡德曼在1922年就假設宇宙物質均勻分布計算過宇宙的形狀),小到可以形容黑洞內部的世界!但廣義相對論有一個致命的弱點!
  • 物理學家將量子力學與廣義相對論結合,找到替代黑洞奇點的新方法
    物理學家提議替代黑洞,物理學家已經將量子力學概念與廣義相對論結合在一起,從而找到了替代黑洞奇點的新方法。當您跨過兩個黑洞的假設選擇時,您會得到什麼?,這是一個自洽的半經典相對論恆星,發表了有關恆星命運的新數學模型。
  • 將量子力學和相對論結合會發生什麼?黑洞中兩種理論巨大的矛盾!
    在牛頓建立的經典物理學大廈遭受到打擊之後,拔地而起兩座目前最讓人著迷的兩座新大廈,一個是廣義相對論,另一個是量子力學。這兩個領域基本瓜分了它們現世之後的物理學諾貝爾獎,它們一個用來研究超越一般大小的巨大天體,一個被用來十分微小的粒子。
  • 相對論和量子力學的主要矛盾是什麼?
    愛因斯坦的相對論就經受住了實驗的考驗,狹義相對論部分有μ子實驗和原子鐘等實驗的支撐。而廣義相對論則有光線偏折,引力透鏡等觀測現象做支撐。並且廣義相對論還預言了引力波和黑洞的存在。這些也使得相對論成為了如今被主流學術圈所承認的主流理論。
  • 為什麼說廣義相對論肯定不是終極引力理論?
    愛因斯坦的引力理論 在創立狹義相對論之後,愛因斯坦發現引力不滿足洛倫茲協變性,無法納入相對論框架。經過10年的努力,愛因斯坦創立了新的引力理論——廣義相對論。 根據廣義相對論,引力的本質其實是物質彎曲時空產生的幾何效應。
  • 當代理論物理學最艱巨的任務——將廣義相對論與量子力學完全統一
    當人們探究宏觀世界的奧秘時,只要使用廣義相對論就足夠了;而當人們探究微觀世界的奧秘時,只需要量子力學就可以了。這兩個理論在各自的領域就如同兩把萬能鑰匙,無論多麼複雜的鎖都能打開。但是,只要一涉及宇宙大爆炸奇點問題和黑洞問題的時候,不論是廣義相對論還是量子力學,仿佛都失靈了。
  • 愛因斯坦相對論與量子力學的結合取決於引力
    答道:量子力學和相對論在許多方面並不矛盾,但這並不意味著它們是能夠相互包容……首先,目前的量子理論以及量子場論從一開始就有著完全相對論性。可以說,相對論是「嵌入」量子力學的。相對論是唯一一種能夠解釋粒子的產生以及湮滅因果關係的量子學說(對於研究者而言,原因永比結果重要)。我所言的完全相對論性,也就是所謂的狹義相對論。反過來看,量子場論是可行的,但是它能夠在廣義相對論所定義的可扭曲的背景下存在。這麼一來,事情開始變得複雜起來(在一般情況下,我們必須完全接受場的概念並完全放棄粒子的概念)。
  • 被稱為「大一統」的超弦理論是憑什麼擊敗相對論和量子力學的?
    在過去的時間裡,我們已經能用量子力學和廣義相對論預言很多物理方面的事情。從微小的原子、分子領域到廣袤的星系、星系團,我們都能用這兩種理論工具言之一二,這也確實是很了不起的。不過隨著時間轉到21世紀,越來越多的實驗證明了,無論是量子力學還是廣義相對論都沒能達到最深層的認識。在物理領域,我們使用的理論一般也只有一種:要麼是量子力學,要麼是廣義相對論。當然也有例外的情況——黑洞的奇點,也只有這種極其特殊的環境下才可能同時用到兩種理論。
  • 量子力學表明黑洞視界上會有量子纏結
    最終你將到達引力場無窮大的奇點。在這個點你將被壓縮成無限密集。不幸的是,廣義相對論並沒有提供預測接下來發生的事的基礎。     根據艾爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論,如果黑洞吞噬你,你存活的概率為零 「當你到達廣義相對論的奇點,物理學終止了,等式也不成立了,」美國賓夕法尼亞州立大學的阿貝·阿希提卡(AbhayAshtekar)這樣說道。     在解釋宇宙大爆炸時,同樣的問題也會突然出現,宇宙大爆炸被認為以奇點作為開始。
  • 黑洞中的奇點是什麼?
    這也難怪,霍金證明把廣義相對論應用到宇宙學時,就必然會出現奇點,所以有人認為這就是廣義相對論的局限表現,連廣義相對論也在此「點」失效。不過不管它質量是有限還是無限,這和密度無限大及體積無限小的描述並不矛盾。因為密度等於質量/體積,質量即使不是無限,只要體積趨向於0,那麼它的密度照樣無限大,同理體積也是。因此這個黑洞「奇點」應保留著「密度無限大和體積無限小」的描述。咱們再來看看溫度是否無限大?
  • 廣義相對論和量子力學到底有多矛盾,我們有沒有可能將二者統一?
    愛因斯坦的最大貢獻在於廣義相對論,不論你是否明白廣義相對論到底講的什麼,當相信你一定都聽過這個名詞。那麼廣義相對論到底講了什麼呢?接著上面的問題來說,廣義相對論完美的回答了「引力到底是什麼」這個問題。通俗一點來件個,以前我們認為宇宙就是一個真空的空間,而事實上並非如此,宇宙並不是空的,而是在整個宇宙空間之中布滿了一張看不見的大網。
  • 這個新方程可以統一廣義相對論與量子力學
    這個公式迷人之處在於,它連接了愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。我們知道,量子力學和廣義相對論在各自領域出色的描述著我們生活的世界,它們也預言過許多聽起來有違常識的概念。當今物理學家的目標之一就是將它們合併在一起,並希望最終得到一個「量子引力理論」。但到目前為止,所有的努力都還沒有成功。
  • 從快遞到黑洞:廣義相對論給我們的饋贈
    當然廣義相對論不僅可以幫助快遞小哥精準地找到我們,還帶給我們另一項重要饋贈:今年諾貝爾物理學獎中涉及的黑洞理論。早在廣義相對論誕生100多年前的法國,數學家拉普拉斯就基於光的微粒說和牛頓的萬有引力理論提出存在一種暗星(類似今天所說的黑洞),這種暗星具有極大的質量和密度,因此能夠吸引自身發出的光。
  • 量子引力理論:物理界的聖杯,量子力學、廣義相對論的結合者
    量子引力理論是一種結合了量子力學和廣義相對論的假想理論,它可以解答一些我們關於物理世界的深刻提問,稱它為物理界的聖杯實至名歸。為什麼我們需要量子引力理論?廣義相對論是只關乎時空的理論,並不涉及到對物質本身的討論,它描述了物質如何影響時空的幾何,時空如何影響物質的運動,但這些討論都在純粹的經典理論模型下。最重要的是,廣義相對論不需要預設時空的存在,因而是一種背景獨立理論。
  • 量子力學遇上廣義相對論 「墨子號」求解世紀謎題
    這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論開展實驗檢驗,將極大推動相關物理學基礎理論和實驗研究。物理學家的「終極夢想」描述微觀世界的量子力學和闡釋引力場的廣義相對論,是現代物理學的兩大支柱,它們在各自領域取得了巨大成功。然而,這兩大理論似乎天生是對「冤家」,無論科學家們如何努力使其融會貫通,始終不能「友好和平共處」:很多在廣義相對論框架下適用的物理規則,在量子領域就不再適用。廣義相對論和量子力學能否合二為一?
  • 首次瞥見黑洞中心附近存在的物理現象!超越黑洞奇點
    博科園-科學科普:理論物理學類我們第一次瞥見黑洞中心附近存在的物理現象,是通過「環量子引力」得以實現。環量子引力是一種利用量子力學將引力物理學擴展到愛因斯坦廣義相對論之外的理論。物理學教授埃文普(Evan Pugh)說:我們今天擁有最好的引力理論是廣義相對論,但它有局限性,例如廣義相對論預言,宇宙中有一些地方引力是無限的,時空只是結束,把這些地方稱為「奇點」。但就連愛因斯坦也同意,廣義相對論的這種局限性源於它忽略了量子力學。在黑洞中心,引力是如此之大,以至於根據廣義相對論,時空變得非常彎曲,最終曲率變得無窮大。
  • 從廣義相對論到黑洞信息悖論 黑洞依舊神秘
    1915年,愛因斯坦發表了廣義相對論,在這一理論中提到了一種體積極小而質量極大的天體,其有著極強的引力,以至於周圍一定區域內連光都無法逃逸。這個被假想出來的天體被稱為「黑洞」,這一區域被稱為「事件視界」。在黑洞中,光都很難「逃逸」,更遑論速度低於光速的其他物質。
  • 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。
  • 廣義相對論量子力學可統一了?
    本文轉自中國科學網-科技日報科技日報北京1月25日電 (記者徐玢)有沒有一種理論可以統一廣義相對論和量子力學25日,中國科學院院士、中國科學院大學副校長吳嶽良在中科院理論物理所舉行的前沿科學論壇上,提出引力量子場論。該理論打破以彎曲時空幾何為基礎的廣義相對論的局限,將廣義相對論與量子力學統一起來。相關成果發表在近日出版的國際期刊《物理評論》上。此前量子場論的建立,使狹義相對論與量子力學成功統一。但廣義相對論與量子力學的統一至今仍是理論物理界的研究熱點。