相对论与量子力学何时统一?人们期待更高级的大自然法则!
相对论和量子力学,是现代物理学大厦的两大基石,一个统治了宏观世界,而另一个统治着微观世界。
但是所谓的微观与宏观,也只是人类进行的分类而已,本身来讲微观与宏观并不存在明显的界限,这意味着相对论和量子力学不应该存在不协调的地方,两大理论应该最终走向统一,被更高级的大自然法则统一。
但是,一百多年过去了,科学家至今没能统一相对论和量子力学。话说过来,两大理论到底有什么不协调的地方呢?
总体来讲,相对论虽然颠覆了我们的传统时空观,但它仍旧是经典理论,与牛顿经典力学同属经典力学,而量子力学完全不同,它属于量子科学。那么经典理论与量子理论到底有什么区别呢?
之所以说相对论属于经典物理范畴,主要是因为所有经典物理都认为万事万物遵循因果律,万物可以用一定的规律来描述,同时万事万物的未来是可预测的,而过去也是可推断的。
最直观的例子就是天气预报,我们可以根据大气云层的速度,方向等因素,判断未来几天的天气走向,这也说明了未来是可预测的,可描述的,万物之间都有一定的因果关系。
但是到了量子世界,一切都被颠覆了,我们熟悉的因果律都不复存在,那里的一切都只能用概率去描述,一切都是不确定的,微观粒子可能出现在任何地方,甚至同时出现在两个不同的地点,结果我们只能用波函数来描述微观粒子的状态。
同时,经典物理认为,我们所在的时空是连续的,比如说,从一个地方到另一个地方,你肯定是在时空中平滑地移动,不可能跳跃过去。
而量子力学认为时空是不连续的,存在最小的时间和空间单位,这就是普朗克时间和普朗克空间。
两大理论对于引力本质的诠释也存在不同,或者说诠释的角度也不一样。广义相对论从宏观上诠释了引力的本质,认为引力的本质是时空弯曲,也就是说,引力其实是不存在的,它只是时空弯曲的表象而已。
而量子理论试图从微观领域诠释引力的本质,于是引入了引力子的概念,试图完善粒子标准模型,最终统一四大自然作用力。
引力子被认为是引力的传播子,引力依靠引力子来传播,就像电磁力依靠光子来传播一样。不过引力子只是一个假想概念,直到目前科学家都没有找到引力子存在的证据。
可以看出,相对论与量子力学的确是两个完全不同的理论,但正如科学家所说,我们的世界不可能有两套大自然法则,这意味着相对论和量子力学最终一定会走向统一,被更高级的大自然法则取代。
而黑洞这种诡异天体的出现,也再次印证了这一点。
黑洞,大家都听说过,堪称自然界最诡异的天体。黑洞,其实就是体积无限小的奇点,是没有大小的。而通常我们所说的黑洞大小,指的是黑洞事件视界的范围,这个范围是以奇点为圆心,史瓦西半径为半径组成的球体。任何物体一旦越过事件视界就会有去无回,彻底被黑洞吞噬。
科学家们发现,无论是相对论,还是量子力学,一旦遇到了黑洞奇点,都全部失效了。
虽然广义相对论在宏观世界很完美地诠释引力的本质,但在微观世界却无能为力,尤其是面对黑洞奇点,更是一点也找不到头绪。一个体积无限小,温度无限高的奇点让广义相对论束手无策,无法解释奇点为何能够存在。
量子力学也遭遇到了同样的尴尬,在量子世界,存在最小的空间单位,普朗克长度,也有温度上限,普朗克温度,但长度和温度的限制,在黑洞的奇点面前都不适用了,奇点就好像不属于我们世界,完全是另一个世界的产物。
但是,事实摆在那里,黑洞就是我们宇宙的产物,这意味着一定有某种大自然法则来诠释诡异的黑洞和奇点。
所以,科学家在相对论和量子力学的基础上,渴望寻找更加普适的大自然法则。首先,科学家们希望把广义相对论进行量子化,期待广义相对论在微观世界也同样能够成功。
于是,科学家们接连提出了更前沿的理论,比如说量子场论,圈引力理论,还有更加深奥的弦理论等。
所有这些理论几乎都是围绕着引力为核心提出来的,因为科学家们知道,在微观世界解读引力的本质非常重要,很可能直接通向黑洞甚至世界的本质。因为不管黑洞有多诡异,它都是在引力的作用下坍缩形成的!
有科学家怀疑引力可以通向其他维度,泄露到更高的维度,这也造成了引力如此微弱,同时也意味着人类可以通过引力与高维度建立联系,著名科幻电影《星际穿越》就有类似的故事情节。但这种观点目前还没有得到证实。
在统一相对论和量子力学的道路上,科学家们一直在努力着,我们坚信人类一定能发现更高级的物理定律,发现解释万物的大统一理论。
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