在民间或者业务爱好者中间,有很多人热衷于拿相对论和量子力学做比较。我首先想说的是,其实相对论和量子力学属于完全不同类型的理论,从物理学范畴上分,相对论属于经典物理范畴,量子力学属于量子物理范畴。

什么是经典物理学?经典物理学认为时空是连续的,一切事物的发展,一旦初始状态确定,原则上就可以从理论上预言它以后任何时刻的状态,即所谓的决定论。什么是量子物理学?量子物理学认为,时空是不连续的,是量子化的,物体的状态由波函数的概率描述,状态具有不确定性,也就是说即使物体初始状态知道了,从理论上根本就不能完全确定以后的状态,只能从概率上给出某些可能性,即所谓的非决定论。

量子力学与相对论有没有联系(深层解读相对论与量子力学的)(1)

然后再说说什么是相对论。相对论包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对论在1905年建立完成,广义相对论在1915年建立完成。

麦克斯韦建立了麦克斯韦方程组,统一描述了一切电磁现象,这是一项伟大的成就 。学过电磁学的人都知道麦克斯韦方程组对一切惯性系都成立。这一点,比较爱思考的人便会发现,麦克斯韦方程组预言的电磁波对于一切惯性系来说,传播速度都是光速,然而这一点与伽利略变换有着不可调和的矛盾。

伽利略变换认为,光速对于不同的参考系来说,必然是不同的。显然,这两者之间必然至少有一个是错误的。爱因斯坦经过思考,毅然放弃了伽利略变换,建立了狭义相对论。

狭义相对论是种时空理论,其本质上颠覆牛顿时空观,牛顿时空观认为,时间和空间是完全独立的概念,时间和空间不互相影响,天生就是分开的,时间和空间分别都是绝对的,而狭义相对论认为时间和空间是一个整体,时空作为一个整体是绝对的,不能随便分解,如果需要分解,那么必须约定分解办法,最自然的分解办法就是基于某一个参考系进行分解,所以时空的分解是参考系依赖的,也就是说是相对于约定的那个参考系的。

可见,时空作为一个整体是绝对的,然而分开的时间和空间是相对的,这便是狭义相对论的相对时空观(注意,作为一个整体,相对论认为时空是绝对的,与任何参考系无关,时间或者空间是相对的,业余人士往往在这点上有误解!)。

广义相对论是一种引力理论,牛顿万有引力定律也是引力理论中的一种。狭义相对论建立以后,爱因斯坦就着手把所有的力学理论都纳入相对论框架中(那时还没有成熟的量子理论,所以未考虑量子化问题),一切进展顺利,但是唯独牛顿的万有引力理论完全无法完成相对论改造。

因此,爱因斯坦意识到,狭义相对论必然是不完善的,因为它无法将引力纳入它的框架中。经过一番非凡的研究之后,爱因斯坦毅然放弃了万有引力理论,建立了广义相对论用以代替万有引力理论(在此可以看到,广义相对论是一种引力理论)。

广义相对论认为,引力并不存在,是物质引起了时空的弯曲(这里说的时空正是狭义相对论里说的那种时空,时空是一个整体,既不是时间,也不是空间,而是时空,这一点一定要清楚!),物质在弯曲的时空中运动,当我们在分开的时空观念(人们已经不自觉地以某个参考系比如地球进行了时空分解)中观察物体运动时,发觉物体表现出了受到引力的特征。

总之一句话,物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动(这就是爱因斯坦场方程的通俗解释)。这就是广义相对论,将引力也纳入了相对论的框架中(广义相对论作为一种引力理论,就是认为根本没有引力,引力完全就是一种运动学效应)。

量子力学是基于量子理论的概念,研究粒子的相互作用,也就是力学问题。目前有量子电动力学和量子色动力学。量子电动力学是描述电磁相互作用的理论,后来统一了电磁相互作用和弱相互作用。量子色动力学是描述强相互作用的理论。两者目前已经相对成熟,预言实验结果的精确程度能够达到令人咋舌的地步!可以说是非常的成功。但是,量子力学中完全没有引力的影子,一切理论中都忽略引力相互作用。因此,量子力学缺失了引力理论。如何在量子框架下建立引力理论,成为了理论物理学家们的棘手问题。

先看现有的引力理论-广义相对论。显然,广义相对论不是量子化的理论,不是理论物理学家们所追求的完美引力理论。这一点,在黑洞和宇宙学问题上表现得尤为明显。广义相对论认为,黑洞形成后物质会继续塌缩,直到收缩为一个奇点,在这个点上时空弯曲无穷大,一切物理理论包括相对论都不再适用。广义相对论还认为,宇宙应该开始于一个奇点,继而不断膨胀成我们今现在的宇宙,同样,在在奇点上相对论也失效。霍金进一步以定理强力地证明了,只要广义相对论正确,那么宇宙中必然会存在奇点。这就是说,从相对论出发,最终却推导出了奇点,而且在奇点上相对论失效,因此可以肯定地说,广义相对论作为一种引力理论,在微观尺度上是错误的(注意,这不能否定其在宏观尺度上的成功)。

因此,寻找一个量子化的引力理论(量子引力理论)是不可避免的事情。在这点上有两种思路,第一种思路:既然广义相对论在宏观尺度上是如此成功,那么是否可以将广义相对论量子化,让它在微观尺度上也正确?这一思路的佼佼者便是著名的圈量子引力理论。第二种思路:既然量子场论(量子力学的场论描述)如此成功,能不能在统一场论框架下寻找一种引力理论?这种引力理论天生就是量子化的。这种思路的佼佼者便是著名的超弦理论(更准确地说是M理论)。然而遗憾的是,无论是圈量子引力还是超弦理论目前都存在巨大困难,离完美的量子引力理论还有距离。因此,可以说,到现在,还没有成熟的量子引力理论。这也是目前理论物理学家的主要目标之一。

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