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物理學家一直試圖調和量子力學與廣義相對論
本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文幾十年來,物理學家一直試圖調和量子力學,即非常微觀的世界與廣義相對論引力理論的非常宏觀世界。雖然許多學者正在研究量子引力,但他們經常使用的模型沒有考慮到宇宙的某些方面,比如宇宙正加速膨脹。
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物理學家一直試圖調和量子力學與廣義相對論,但是太難了!
幾十年來,物理學家一直試圖調和量子力學,即非常微觀的世界與廣義相對論引力理論的非常宏觀世界。雖然許多學者正在研究量子引力,但他們經常使用的模型沒有考慮到宇宙的某些方面,比如宇宙正加速膨脹。衝繩科技研究所研究生院(OIST)的一個團隊報告了一種新的量子引力方法,使用的模型更接近現實。在《物理評論D》中,該團隊報告了他們在無質量場的散射矩陣(S-matrix)上的進展。
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物理學家一直試圖打破引力定律,為什麼,進展如何?
這一結果反過來又對任何試圖調和描述大質量天體行為的廣義相對論和預測極小天體行為的量子力學的理論提出了更嚴格的限制。廣義相對論的偉大成就是描述了萬有引力如何在宇宙中運行:它如何將物體相互吸引;它如何扭曲時空;以及它如何形成黑洞。
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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?
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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。
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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。
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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。
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中國「墨子號」衛星太空實驗嘗試結合量子力學與廣義相對論
中國「墨子號」衛星太空實驗嘗試結合量子力學與廣義相對論 2019-這也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理論進行實驗檢驗。北京時間9月20日,國際權威學術期刊《科學》發表了該成果。 量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩大支柱。近百年來,國際科學界試圖融合量子力學和廣義相對論的工作遇到極大困難。
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現代物理學的困境——量子力學和相對論之間的矛盾
簡單地說,引力是一種影響和改變物體運動的力。至少的愛因斯坦出現之前是這樣的。愛因斯坦通過他的廣義相對論,詳細闡述了引力的數學公式,這個力被理解為時空「不可避免的扭曲」。但是,這種扭曲是如何發生的呢?無論什麼時候,任何東西都試圖以直線穿過宇宙,這個物體都會沿著一個軌跡運動,這個「軌跡」會被附近任何形式的質量和能量所彎曲。因此,我們所認為的引力就是宇宙結構的曲率。看起來是這樣,但是一旦我們把這個理論應用到另一個物理領域中非常重要的理論——量子力學時,問題就出現了。
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現代物理學的困境——量子力學和相對論之間的矛盾
簡單地說,引力是一種影響和改變物體運動的力。至少的愛因斯坦出現之前是這樣的。愛因斯坦通過他的廣義相對論,詳細闡述了引力的數學公式,這個力被理解為時空「不可避免的扭曲」。但是,這種扭曲是如何發生的呢?無論什麼時候,任何東西都試圖以直線穿過宇宙,這個物體都會沿著一個軌跡運動,這個「軌跡」會被附近任何形式的質量和能量所彎曲。
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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。
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量子力學和相對論在不同的領域佔據主導地位,它們之間有什麼聯繫
但是根據廣義相對論,重力扭曲了球周圍的空間和時間。這個理論不能容忍空間和時間以兩種不同的方式扭曲,這會破壞疊加的穩定性,迫使球採用一種狀態或另一種狀態。知道球發生了什麼可以幫助物理學家解決量子力學和廣義相對論之間的衝突。
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為什麼弦理論會吸引這麼多注意?它很有可能會成為終極理論
過去一談到弦論,人們就感到頭暈腦脹,就算是弦論專家也煩惱不已;而其他物理學家則在一旁嘲笑它不能做出實驗預測;普通人更是對它一無所知。弦理論會吸引這麼多注意,大部分的原因是因為它很有可能會成為終極理論。與描述宏觀引力的廣義相對論在根本上有衝突,廣義相對論的平滑時空與微觀下時空劇烈的量子漲落相矛盾,這意味著二者不可能都正確,它們不能完整地描述世界。
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這個新方程可以統一廣義相對論與量子力學
R(Rosen)和P(Podolsky)則是另外兩位物理學家的首寫字母,他們與愛因斯坦在1935年共同發表了兩篇非常有意思的論文。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。
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如果牛頓還活著,他能統一廣義相對論和量子力學嗎?
牛頓是有史以來數一數二的最偉大物理學家,也是有史以來的三大數學家之一。如果牛頓能夠穿越到今天,以他的興趣愛好及性格特點,他也許仍然會選擇做一名物理學家,不過他在莘莘物理學家中很可能不再出人頭地。最偉大並不意味著他是萬能的,牛頓也有沒有成功解決的問題。
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為什麼宇宙的終極理論,必須同時包含廣義相對論和量子力學?
愛因斯坦的廣義相對論,引力扭曲時空的想法經受住了100多年的檢驗和測試,包括現在發表在最新一期《物理評論快報》期刊上「事件視界望遠鏡」(EHT)合作研究的最新測試。儘管取得了成功,愛因斯坦的相對論理論在數學上仍然與量子力學(對亞原子世界的科學理解)不可調和。檢驗廣義相對論很重要,因為宇宙的終極理論必須同時包含廣義相對論和量子力學。
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反重力引擎,分為廣義相對論和量子力學型,原理完全不一樣!
重力或者引力是一個經典力學時代的概念,廣義相對論定義重力並不是用力這個方式來形容,而是空間彎曲!廣義相對論時代的時空彎曲概念1916年愛因斯坦發表了廣義相對論,以質量彎曲時空的的方式解釋了引力,並且以水星在太陽彎曲時空中運動的方式完美地解決了水星進動的問題,緊接著1919年愛丁頓驗證了日食時光線確實會在太陽的「引力」中彎曲!
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量子力學遇上廣義相對論 「墨子號」求解世紀謎題
新華社發當量子力學遇上廣義相對論,會擦出怎樣的火花?近日,多國科研人員合作利用我國「墨子號」量子科學實驗衛星,對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型開展了實驗檢驗。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。
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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
當動量不僅僅是一個與粒子有關的量,而是一個量子力學算符時,這就更難理解了。在廣義相對論中,磁場以波的形式帶走能量:引力輻射。但是,在量子層面上,我們強烈懷疑,就像電磁波由量子(光子)組成一樣,引力波也應該由量子(引力子)組成。這就是廣義相對論不完整的原因之一。(圖源:RAY SHAPP / MIKE LUCIUK;E. SIEGEL) 這類公式的問題是,當位置和動量在經典處理下時所在的場處於相同的基礎上。
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為什麼廣義相對論無法被完全精確求解?
儘管物理學家可以寫出控制這些粒子在牛頓宇宙中如何行為的方程,但在廣義相對論控制的宇宙中,物理學家無法做到這一點,因為廣義相對論永遠也無法精確解出來,這是為什麼呢?牛頓物理學在牛頓物理學中,宇宙中的每一個有質量的物體都會對其他物體施加一個明確大小的引力。只要知道物體之間的距離以及它們各自的質量,根據萬有引力定律很容易就能計算出引力。