相對論與量子力學何時統一?人們期待更高級的大自然法則!

宇宙探索 發佈 2023-12-04T22:01:44.643174+00:00

相對論和量子力學,是現代物理學大廈的兩大基石,一個統治了宏觀世界,而另一個統治著微觀世界。但是所謂的微觀與宏觀,也只是人類進行的分類而已,本身來講微觀與宏觀並不存在明顯的界限,這意味著相對論和量子力學不應該存在不協調的地方,兩大理論應該最終走向統一,被更高級的大自然法則統一。

相對論和量子力學,是現代物理學大廈的兩大基石,一個統治了宏觀世界,而另一個統治著微觀世界。

但是所謂的微觀與宏觀,也只是人類進行的分類而已,本身來講微觀與宏觀並不存在明顯的界限,這意味著相對論和量子力學不應該存在不協調的地方,兩大理論應該最終走向統一,被更高級的大自然法則統一。

但是,一百多年過去了,科學家至今沒能統一相對論和量子力學。話說過來,兩大理論到底有什麼不協調的地方呢?

總體來講,相對論雖然顛覆了我們的傳統時空觀,但它仍舊是經典理論,與牛頓經典力學同屬經典力學,而量子力學完全不同,它屬於量子科學。那麼經典理論與量子理論到底有什麼區別呢?

之所以說相對論屬於經典物理範疇,主要是因為所有經典物理都認為萬事萬物遵循因果律,萬物可以用一定的規律來描述,同時萬事萬物的未來是可預測的,而過去也是可推斷的。

最直觀的例子就是天氣預報,我們可以根據大氣雲層的速度,方向等因素,判斷未來幾天的天氣走向,這也說明了未來是可預測的,可描述的,萬物之間都有一定的因果關係。

但是到了量子世界,一切都被顛覆了,我們熟悉的因果律都不復存在,那裡的一切都只能用概率去描述,一切都是不確定的,微觀粒子可能出現在任何地方,甚至同時出現在兩個不同的地點,結果我們只能用波函數來描述微觀粒子的狀態。

同時,經典物理認為,我們所在的時空是連續的,比如說,從一個地方到另一個地方,你肯定是在時空中平滑地移動,不可能跳躍過去。

而量子力學認為時空是不連續的,存在最小的時間和空間單位,這就是普朗克時間和普朗克空間。

兩大理論對於引力本質的詮釋也存在不同,或者說詮釋的角度也不一樣。廣義相對論從宏觀上詮釋了引力的本質,認為引力的本質是時空彎曲,也就是說,引力其實是不存在的,它只是時空彎曲的表象而已。

而量子理論試圖從微觀領域詮釋引力的本質,於是引入了引力子的概念,試圖完善粒子標準模型,最終統一四大自然作用力。

引力子被認為是引力的傳播子,引力依靠引力子來傳播,就像電磁力依靠光子來傳播一樣。不過引力子只是一個假想概念,直到目前科學家都沒有找到引力子存在的證據。

可以看出,相對論與量子力學的確是兩個完全不同的理論,但正如科學家所說,我們的世界不可能有兩套大自然法則,這意味著相對論和量子力學最終一定會走向統一,被更高級的大自然法則取代。

而黑洞這種詭異天體的出現,也再次印證了這一點。

黑洞,大家都聽說過,堪稱自然界最詭異的天體。黑洞,其實就是體積無限小的奇點,是沒有大小的。而通常我們所說的黑洞大小,指的是黑洞事件視界的範圍,這個範圍是以奇點為圓心,史瓦西半徑為半徑組成的球體。任何物體一旦越過事件視界就會有去無回,徹底被黑洞吞噬。

科學家們發現,無論是相對論,還是量子力學,一旦遇到了黑洞奇點,都全部失效了。

雖然廣義相對論在宏觀世界很完美地詮釋引力的本質,但在微觀世界卻無能為力,尤其是面對黑洞奇點,更是一點也找不到頭緒。一個體積無限小,溫度無限高的奇點讓廣義相對論束手無策,無法解釋奇點為何能夠存在。

量子力學也遭遇到了同樣的尷尬,在量子世界,存在最小的空間單位,普朗克長度,也有溫度上限,普朗克溫度,但長度和溫度的限制,在黑洞的奇點面前都不適用了,奇點就好像不屬於我們世界,完全是另一個世界的產物。

但是,事實擺在那裡,黑洞就是我們宇宙的產物,這意味著一定有某種大自然法則來詮釋詭異的黑洞和奇點。

所以,科學家在相對論和量子力學的基礎上,渴望尋找更加普適的大自然法則。首先,科學家們希望把廣義相對論進行量子化,期待廣義相對論在微觀世界也同樣能夠成功。

於是,科學家們接連提出了更前沿的理論,比如說量子場論,圈引力理論,還有更加深奧的弦理論等。

所有這些理論幾乎都是圍繞著引力為核心提出來的,因為科學家們知道,在微觀世界解讀引力的本質非常重要,很可能直接通向黑洞甚至世界的本質。因為不管黑洞有多詭異,它都是在引力的作用下坍縮形成的!

有科學家懷疑引力可以通向其他維度,泄露到更高的維度,這也造成了引力如此微弱,同時也意味著人類可以通過引力與高維度建立聯繫,著名科幻電影《星際穿越》就有類似的故事情節。但這種觀點目前還沒有得到證實。

在統一相對論和量子力學的道路上,科學家們一直在努力著,我們堅信人類一定能發現更高級的物理定律,發現解釋萬物的大統一理論。

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