量子力學與廣義相對論的世紀衝突!一百年過去了,你也該明白了

一個事件的矛盾,不能成為駁斥它存在的論據,相反這恰恰是它存在的條件。——尼采

量子力學與廣義相對論的世紀衝突!一百年過去了,你也該明白了

玻爾&愛因斯坦

在整整一個世紀裡,作為物理學基礎的兩大理論,竟然無法兼容,這無疑是人類科學史上最大的事件,值得我們每一個人從根本上了解二者的矛盾。

哲學思想的對立

量子力學與廣義相對論的世紀衝突!一百年過去了,你也該明白了

廣義相對論的哲學思想可以追溯到亞里士多德的空間理念

如果說廣義相對論描述了一個莊嚴的和諧世界,那麼量子力學則描述了一個激情的自由世界

廣義相對論認為世界具有客觀實在性,符合決定論,測量過程中主體和客體必須嚴格區分,物理量是事物本身的固有屬性,物理定律是物理量之間的客觀規律

量子力學與廣義相對論的世紀衝突!一百年過去了,你也該明白了

量子力學的哲學思想可以追溯到德謨克利特的原子論

量子力學認為世界具有主觀能動性,放棄決定論,測量是主體與客體相互作用的結果,量子規律不再是物理量之間的客觀規律,而是關於可能的測量結果的概率規律

量子力學的建立,放棄了對於物理現象的客觀處理,亦即放棄我們區分觀測者與被觀測者的能力作為代價。——泡利

物理理論的矛盾

理論的表面分歧在於三點:

1. 時空的結構:廣義相對論認為時空是幾何化的,彎曲程度由物質的分佈決定,但量子力學認為時空是一種

,物質在規範場中交互作用。

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時空扭曲

2. 引力的描述:廣義相對論認為引力是時空彎曲造成的幾何效應,但是無法將其他三種力進行“幾何化”;量子力學認為力是時空中的粒子

交換,電磁力是由光子交換而來,弱核力是由玻色子交換而來,而引力無法進行“量子化”。

3. 真空的能量:量子力學認為真空存在量子漲落,蘊含著無限的能量,但廣義相對論規定真空是最低的能量態

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規範場

理論的本質矛盾在於兩個公式:

ΔxΔp≥ℏ/2

Rs=2M

前者是量子力學中著名的不確定性原理,限制了位置不確定性Δx與動量不確定性Δp的關係,意味著動量能量Δp越大,偏離程度Δx越小。

後者是廣義相對論中史瓦西半徑Rs與M (ADM質量)的關係,ADM質量表示度規張量與漸進的度規張量的偏離程度,因此質量M越大,偏離程度越大,則史瓦西半徑Rs越大。

量子力學與廣義相對論的世紀衝突!一百年過去了,你也該明白了

一個質量相當於喜馬拉雅山的天體的史瓦西半徑只有一納米

簡而言之,從量子力學角度來看,一個自由度含有的能量越大,它的偏離程度越小,但當討論能量大小對應史瓦西半徑的黑洞時,繼續增加能量反而會對應越大的黑洞。可見廣義相對論與量子力學的基本規律不兼容。

綜上所述,就是關於量子力學與廣義相對論世紀矛盾的簡單解釋,對於其中每一個點(關注物理哲學)以後展開細說。

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大統一理論

仰望天際,籠罩在二十一世紀物理學上空的這朵烏雲,必然卷集著狂風暴雨,同時孕育著新的統一理論的誕生。


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