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超弦理论第二讲:量子力学和相对论的矛盾

作者:陈璞实观

上文叙述了爱因斯坦晚年的悲惨境遇,他花了三十年时间,就为寻找到一个能把所有自然力所有物质归纳到一起的统一理论。但毫无疑问的是,他失败了。

超弦理论第二讲:量子力学和相对论的矛盾

今天的理论物理学家们,虽然拥有着比爱因斯坦对这个宇宙更深刻的认识。但从境遇上来说,与前人其实也没有太大的差别,只能在矛盾中苦笑着前行。

在物理学的发展过程中,从来就没有所谓的一帆风顺。1900年4月27日,英国著名物理学家威廉.汤姆生发表了题为“在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”的演讲。

超弦理论第二讲:量子力学和相对论的矛盾

他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时,却饱含怀疑地说道:物理学到目前为止的确发展得不错,基本的工作已经完成。但在这坚实而美丽的基座上,却存在着两朵乌云。第一朵乌云出现在光的波动理论上,第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。用通俗的话来讲,就是以太难题和黑体辐射困境。

但谁曾想,在当时的人们眼中毫不起眼的两个小问题,却引发了整个物理学界两次最伟大的革命。第一次革命,诞生了相对论,彻底颠覆了我们对于时空的观念。第二次革命,创生出了物理学中最具有革命性并且最重要的理论,量子理论。现在回想起来,也是真的讽刺。

超弦理论第二讲:量子力学和相对论的矛盾

随着时代的发展,物理学虽然取得了巨大的进步,但物理学家们心里却也清楚,在我们目所能及的当下,问题其实并没有随着理论的进步得到真正的解决。在我们的头顶,依然飘着一朵朵黑压压的乌云。

而要论这群乌云里最大的那个,无疑便是现代物理学的两大基石,相对论和量子力学的矛盾。相对论为我们从大尺度了解宇宙提供了精确的理论框架,量子力学则是帮助我们认识到了最微观的世界。

超弦理论第二讲:量子力学和相对论的矛盾

两个理论发展了几十年,几乎在所有尺度上都精确地预言了我们所认识的一切。但是,正是因为这两个理论是如此的强大且精确,这就不得不让我们陷入一种痛苦地抉择当中。从广义相对论和量子力学的理论基础上来看,他们不可能都同时是正确的。一个是大尺度宏观的理论,一个是最微观最渺小的物质理论,但两者相差甚远并且水火不容。

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但是不是说我们可以不用太过于纠结,在研究大物体的时候用相对论,在研究小的物质的时候就用量子力学,两个之间井水不犯河水呢?

答案是不能。因为普遍情况下宏观和微观是互不侵扰的,但在特殊情况下,又大又小的物体也是存在的,比如黑洞。所以这种耍小聪明分别研究的方法是行不通的。

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并且很有可能,我们人类自认为的特殊情况,在宇宙尺度上来说,反而是最常见的情况。宇宙创生的时候,大量的物质被挤压到一个特殊的中心点中,此时的宇宙,比我们肉眼所能见到的最小物体还要小得多。虽然概念上很小,但重量却不是我们可以想象的。如果要了解当时的宇宙,现有的理论根本没办法解释。

超弦理论第二讲:量子力学和相对论的矛盾

有人说多难得事儿啊,把相对论和量子力学结合起来用不就行了吗?

正所谓无知者无畏,当我们尝试着把二者结合起来的时候我们才发现,这两个家伙仿佛像两个水火不容的大冤家一样,一旦相遇,其结果便只剩下对抗与厮杀。

与现在的种族矛盾男女对立一样,虽然大伙都存在着不可调和的矛盾,但在本质上来说,大伙总归来说也是一体的。在表面上量子力学和相对论是剑拔弩张的,但如果我们用一种更加深邃的眼光去看待问题,我们就会发现,原来这二者,本出同源。

超弦理论第二讲:量子力学和相对论的矛盾

而这个调合两者矛盾,讲量子力学和相对论统一起来的理论,便是超弦理论。

超弦理论能极大地改变我们对于时空,物质,能量的认识。它的诞生,为我们认识宇宙提供了一件有利的武器。虽然它来得很突然,也很复杂,但一切都是那么的自然,那么的恰到好处。有了超弦理论,广义相对论和量子力学终于有机会坐在谈判桌上,好好地听一听对方的真实诉求了。即使这也仅仅是一个双方坐下来谈判的机会而已。

超弦理论第二讲:量子力学和相对论的矛盾

不可否认,跟过去的物理学成就相比,弦理论现在更像一个懵懂的孩子。它的一切都还在起步阶段,连一些最基本的理论框架都还没有全部成型,更别说用它来预测一些我们能够观测到的实验证据了。

不过,正如孩子是人类的希望一样。

弦理论的诞生,也给了物理学希望,并且目前来看,也很有可能,是唯一得到希望。

如果这个孩子最后不幸夭折,那才是物理学最黑暗的时候。所以,作为它的父母,我们能做的也就只有一件事儿,好好把它养大。

超弦理论第二讲:量子力学和相对论的矛盾

愿它能早起长大成人。

如果真的有上帝的话,愿它保佑物理学

好了,今之文到此结束

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