相對論和量子力學的主要矛盾是什麼?

2020-12-03 鍾銘聊科學

相對論和量子力學相互矛盾這件事其實是還沒有定論,或者說,如果從純粹理論的角度上看,目前它們是有一部分融合了,有一部分科學家還在試圖用各種辦法把它們融合到一起,因此,現在就下定論說,兩者是相互矛盾的說法是不太合適的。那具體是咋回事呢?

我們要先從兩個理論描述了什麼來進行入手。

相對論

在19世紀末,20世紀初,當時科學家普遍認為物理學基本上已經發展到了盡頭,由於牛頓力學和麥克斯韋方程實在是太準確了。當時沒辦法解決的就只有光速需不需要介質(當然,當時認為是需要一種叫做以太的介質,但實際上實驗發現並不存在)以及黑體輻射問題。

而「以太」這一支,誕生了相對論。具體來說就是,兩條基本假設:光速不變原理以及伽利略的相對性原理構建了相對論。

他在相對論中統一了「空間」和「時間」,並且它認為:

空間和時間並不是分立的,而應該結合起來看,並稱為時空,或者四維時空。

愛因斯坦的老師閔可夫斯基則在狹義相對論的基礎上,提出了時空光錐的概念。我們可以粗暴地理解成,過去影響現在,而現在影響未來,但只有在光錐內的時間才會被影響。

同時愛因斯坦,還繼續利用這兩條假設統一了「能量」和「質量」,他認為,

質量和能量是一回事,是一個東西的兩個面,能量裡有質量,質量裡有能量。

並且基於這個認識,他提出了質量和能量的等價關係,也就是著名的質能方程。

當然,以上我們提到的其實都是狹義相對論的內容。而廣義相對論則是狹義相對論的一種推廣,狹義相對論說白了研究是的慣性系下的運動,也就是時空是平直時的運動情況。

而廣義相對論推廣到了一般性的情況,即使是時空發生了彎曲,也同樣適用。

愛因斯坦發現,引力會引起時空的彎曲。或者說,引力的本質其實是時空的彎曲。

這聽起來很玄幻有沒有?

但是理論到底對不對,並不是我們人為憑藉感官來下判斷的。實際上,從牛頓時期開始,物理學就已經開始走向了反直覺的路徑。而一個理論到底正確與否,其實要靠實驗說話。

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。

量子力學

量子力學其實是由於黑體輻射的危機所導致的。當時普朗克發現,如果假設能量是連續的,理論和實驗觀測就沒有辦法擬合了。

於是,他提出了「量子」假說,認為能量存在最小的單位,也就是說能量是一份一份的,這也就解決了黑體輻射。從這時起,量子力學就一發不可收拾,前前後後三代幾十位偉大的科學家為此做出了傑出的貢獻。

而這當中,海森堡的不確定性原理和薛丁格的波動方程稱為了量子力學的核心理論。

不過,我們要注意的是,量子力學和相對論有個截然不同的特點,量子力學描述的是微觀世界的物理學現象,而相對論則描述的是大尺度上的物理學現象(尤其是引力大,速度快),而且兩者都可以在宏觀低速下兼容的牛頓力學,同時在各自的尺度內奇準無比。

相對論與量子力學的聯姻

相對論和量子力學並不是完全不能協調的,實際上是可以的,而且還聯姻出了一個目前的主流理論:量子場論。

這是由和海森堡、薛丁格齊名的英國物理學家狄拉克做出來的,他把狹義相對論和量子力學進行了聯姻,提出了量子場論。還預言了電子的反粒子正電子的存在。

上世紀50年代至今一直在發展的主流理論叫做:粒子物理學標準模型。這套理論就是建立在量子場論的基礎之上的。

廣義相對論和量子力學可能出現的矛盾?

可能你要問了,既然狹義相對論和量子力學已經聯姻了,那廣義相對論和量子力學呢?

實際上,兩者並沒有實現聯姻。科學家一直都在嘗試將兩者結合來了。但是始終沒有能夠成功,雖然科學家對於廣義相對論和量子力學的聯姻是抱有樂觀的態度。

但不妨礙我們來看看,到底是哪裡出了問題,準確來說,其實是來自於時空理論的矛盾,在廣義相對論中所用到的是四維時空的時空觀,而在量子力學中,量子還存在一個自旋空間,這使得兩者就出現了矛盾。其次,兩者在黑洞和普朗克尺度下都出現了失效的問題。

其實,還有個「定域性原則」的存在,翻譯成我們熟悉的詞彙,就是量子糾纏出現超光速問題,這也是和廣義相對論格格不入的。

以上這些問題,都是廣義相對論和量子力學聯姻的阻礙,科學家也在試圖尋找新的方式或者理論來彌補兩者之間存在的問題。

相關焦點

  • 廣義相對論與量子力學的終極矛盾——黑洞奇點
    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
  • 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。
  • 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?
    然而,牛頓的理論並不完善,他雖然說明了引力的作用,但是卻無法解釋引力從何而來,引力的本質到底是什麼?這個問題困擾了無數的科學家很多年,直到一位可以稱之為天才的科學家出現了,這個偉大的科學家就是我們耳熟能詳的愛因斯坦。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?
  • 量子糾纏和相對論真的是矛盾的嗎?
    愛因斯坦創立的相對論認為物體的運動速度不可能超過光速,光速是宇宙中一切運動的最高速度。但是,量子力學中的粒子糾纏現象具有超光速特點,似乎和相對論是矛盾的。科學史上最不可思議的就是量子力學理論預測的「量子糾纏」。量子糾纏是從量子力學的方程式中得出來的,然後經過試驗證實。
  • 比相對論和量子力學更深一層的弦理論是什麼
    現在物理學有一個問題沒能得到圓滿解決,那就是量子力學和廣義相對論之間的矛盾。它們之間的矛盾有是目前研究當中最困難的問題之一。廣義相對論適用於巨大的宇宙尺度。廣義相對論認為,在沒有物質的時候,空間都是平直的。
  • 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。雖然沒有辦法把廣義相對論和量子力學的概念結合起來,但聰明的科學家發現,狹義相對論卻對量子力學的框架至關重要,至少狹義相對論與量子力學一樣都在微觀世界下了不少功夫。為了能把狹義相對論與量子力學結合起來,科學家先把它們的力氣集中在電磁力與物質的相互作用上,最後他們建立了量子電動力學。
  • 愛因斯坦相對論與量子力學的結合取決於引力
    提問:據我所知,量子力學與相對論可能是相互矛盾的。那這是否說明其中有一方有問題的呢?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。
  • 相對論和量子力學告訴人們什麼物理?
    相對論和量子力學沒有告訴我們真實的物理,愛因斯坦還是有點可愛的:既是光子第一提出者,又是光子的第一質疑者,承認50年探究沒有認識到光子本質!最終覺悟到錯了,全部手稿付之一炬,誠實可嘉!使崇拜他的人即使沒有學懂他的「天才相對論」仍然尊敬不已!
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    大家好,歡迎收看量子科普第76期,我是常常,今天和大家聊一聊關於現代物理學的兩大支柱:愛因斯坦的相對論與量子理論為何不能相融的事情。愛因斯坦的相對論解釋的是宏觀世界,而量子力學是微觀量子領域的科學,按照常識來說,宏觀世界是由微觀量子世界組成的,而微觀量子世界被包含於宏觀世界,兩者應該是相輔相成、融會貫通的,但令人奇怪的,解釋宏觀世界的相對論卻無法解釋微觀量子世界,而微觀量子世界的很多現象在宏觀世界中根本就找不到類似現象,甚至連邏輯上都解釋不通,兩種理論根本無法融合,這究竟是怎麼回事呢?
  • 量子力學是介於經典力學和相對論之間的理論
    糾纏的粒子有驚人的特性,所以它被量子力學拒之門外。這些特性無法被廣義上的量子力學描述,所以一般認為這些特性還不是量子力學的一部分。量子力學不主張非慣性系下的第二宇宙速度,很難用經典理論和量子理論解釋成薛丁格方程,超弦理論和弦論尚未形成其自洽體系量子力學本身有一些體系設定是與經典力學有衝突的。
  • 科普:讓普通人了解量子力學和相對論
    編者按:2020年9月5日,深圳市委宣傳部、深圳市社科聯聯合邀請李淼先生作客深圳市民文化大講堂,為市民朋友們做了一場題為「給所有人講量子力學和相對論」的精彩講座。量子力學都有什麼用?量子力學到底有什麼用,比如我們身邊的電腦和手機中的晶片,晶片主要由集成電路組成,而集成電路裡面用到的是二極體、三極體就是量子力學的效果,二極體是上世紀二三十年代發明的,然後40年代發明了三極體。從巨大的電子管收音機到可放兜裡的半導體收音機,從電視機到手機,再到量子計算等等,這些科學的發明與進步,都是建立在量子力學的基礎上。
  • 看完這部紀錄片,你就知道相對論和量子力學到底在講什麼了
    相對論和量子力學,上世紀科學史上最璀璨的兩顆明珠。經常會聽到相對論和量子力學的相關消息,但總是與高深理論等字眼聯繫在一起,普通人似乎無法接近。但這部紀錄片——《宇宙的構造》,用同通俗的語言和絢麗的畫面向大眾科普了相對論和量子力學,普通人看完這部紀錄片,基本就能了解相對論和量子力學主要講了些什麼。紀錄片共4集,第一集講空間;第二集講時間,第三季將量子力學,第四集講多重宇宙。相對論分為狹義相對論和廣義相對論,舉幾個典型的例子,看看格林是怎麼用畫面來講述狹義相對論的。
  • 相對論和量子力學有可能會被推翻麼?
    新理論和舊理論之間的關係在宏觀低速下的牛頓力學是無可匹敵的,相對論和量子力學確實可以撼動它,但是是在小數點後15位的尺度去撼動牛頓力學,這個差異比大多數的儀器的誤差還要小得多,根本測不出來。因此,我們才會說,牛頓力學是相對論和量子力學在宏觀低速下的近似解。
  • 相對論與量子力學水火不容之際,弦理論誕生了
    水火不容的相對論與量子力學大自然的四種基本力中,相對論統一了引力,量子力學統一了電磁力、弱核力、強核力。但物理學家試圖將引力也納入量子力學時,卻得到無窮大的災難性結果。相對論和量子力學為什麼會如此的水火不相容呢?廣義相對論的核心是光滑與彎曲的幾何結構,除了在超微尺度下,時空結構都很平坦,所以廣義相對論也能用的很好。然而,當來到超微觀尺度下時,量子力學的不確定性原理和廣義相對論引力的幾何模型變得水火不容。
  • 網友問:量子力學和相對論格格不入,是宇宙有兩套物理法則嗎?
    量子力學和相對論,作為當今物理學的兩大基礎理論,兩者確實存在本質的差異,比如量子力學的世界是離散的,而相對論的世界是連續的;但也絕非題目說的「格格不入」,其實兩者在絕大部分場合中,都是相輔相成的。那麼最大的可能,就是量子力學和相對論中至少有一個,不是我們宇宙的最根本法則,肯定還存在一個更深的理論,可以在更高層面上統一相對論和量子力學,然後讓兩者實現相容。
  • 處理引力場,也是用量子力學和狹義相對論
    目前有現有的物理理論中,處理引力場,也是用量子力學和狹義相對論。不懂你的意思,量子力學無法處理引力場,但不意味著它不能解釋引力場。量子力學依賴量子漲落的原因,不單單是因為引力是量子漲落的結果,它還依賴于波粒二象性。什麼是波粒二象性?一粒子在源處有狀態,在誘導量子漲落後,這粒子又有了波的狀態。廣義相對論就是一堆量子漲落,解釋引力場和時空。量子力學在量子漲落中得到解釋,但不意味著它可以解釋引力場。
  • 視覺的本質——超現實主義,相對論和量子力學
    電和磁的統一(發現無形的領域),與放射性(新發光的能量)的存在,與相對論(時間膨脹、長度收縮,時空的扭曲),和量子力學(其激進的關於因果關係和影響觀察者的角色在測量),物理學是宇宙取代有序發條不可思議的方式。
  • 5分鐘讀懂:弦理論是如何解決相對論和量子力學之間的衝突的
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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
    牛頓力學在過去兩百年內穩穩地統治著物理學。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。 但是量子力學和相對論卻有著難以調和的矛盾,愛因斯坦晚年為了解決這個矛盾曾一度致力於勾畫大統一理論,然而事違人願,愛因斯坦直到去世都沒有解決這個問題。大家知道,牛頓力學在宏觀低速的世界裡很適用。
  • 相對論、量子力學等理論在未來會被推翻嗎?為什麼?
    小夥伴們,相對論、量子力學是物理學的發展的前沿理論。不過,很多人有一些錯誤的理解,什麼相對論推翻了萬有引力定律啦,量子理論不存在啦,等等。其實,這是對物理學無知的論調。有些人人云亦云,跟著起鬨。我們說,科學是嚴謹的,同時科學也是發展的。