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寻求统一

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发表于 2020-1-12 22:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
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1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,将引力描述为是时空弯曲的结果(时空=三维空间+一维时间)。这一全新的引力理论不仅解释了牛顿理论无法解释的现象,还成功地作出了许多可检验的预言,比如引力波、黑洞等。毫无疑问,在描述行星和星系等大尺度物理时,广义相对论是无与伦比的。但如果我们想要描述原子和亚原子世界的种种有悖直觉的行为时,则需要量子力学。在量子力学的建立过程中,爱因斯坦也作出了极大的贡献,只是他对量子力学没有那么热爱而已。

这两种理论代表着两种截然不同的世界观,构成了现代物理学的基石。如果没有它们,那么无论是太空旅行,还是医学成像,亦或是GPS系统,或者核能都不会存在。

当今物理学面临的最大挑战就是找到一个能够将二者统一的”万有理论“。


                               
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○ 包括爱因斯坦、密立根、普朗克等人在内的现代物理学之父。| 图片来源:Materialscientist/Wikimedia

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一百多年前,物理学领域存在着一个巨大的问题,那就是描述电磁现象的麦克斯韦定律无法解释为什么当微弱的紫外线落在金属电极上时,会比明亮的红光落在金属电极上更容易产生火花。爱因斯坦提出,如果光波中的能量不是以波的形式连续分布,而是像粒子那样以光子的形式离散分布,且每个光子所具有的能量与光的颜色(或者说频率)成正比,那么就可以解释这一点。一开始,许多科学家对这种想法表示怀疑,因为许多实验都已表明——光就是一种波。

在众多怀疑者中,罗伯特·密立根(Robert Millikan)就是其中之一。然而有意思的是,最终却是他用实验验证了爱因斯坦的想法。密立根还发现,电子也具有类似于波的性质。将这些发现与爱因斯坦的预测相结合,表明了物质和光都可以既被描述为粒子,也可以被描述为波。许多科学家基于这种波粒二象性的概念,推动了量子力学的发展。

这一理论在最小尺度上具有广泛的适用性,在这一尺度上,引力常常可以被忽略不计,因为它与其他三种基本力(强核力、弱核力和电磁力)相比过于微弱。这一理论不仅对日常生活中观察到的物质和辐射进行了一致的描述,而且还预测出了一些在现在的高能加速器实验中,或太空中的宇宙事件中观察到的新粒子和新过程。


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为了把对物质和辐射量子的描述与引力统一起来,自然要将携带引力的“引力量子”考虑进来。弦理已经成为实现这一目标的候选理论。它指出,物质是由振动着的延伸结构组成的,比如微小的弦或膜,而不是点状的粒子。这些结构的每一种振动都对应于物质的一种特定状态。

也有一种振动与引力量子对应。然而,为了得到一致的量子描述,就必须通过引入无论是肉眼还是现有技术都无法观测到的额外空间维度来提高时空维度。因此到目前为止,弦理论还没有得到确切的实验验证。


                               
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相比之下,尽管量子力学描述的是一个非常奇怪的世界,但在那些引力的参与度不那么高的领域,它仍然维持所向披靡之姿。量子力学指出粒子可以同时处于许多不同的可能状态。它可以预测粒子处于某个特定状态的一系列概率,但通常来说却无法预测实际发生的概率。

这种情况下必须进行大量的观测,然后计算出平均值。此外,这些平均值取决于测量的是何种属性,以及何时做出测量的决定。这一奇特的世界图景与爱因斯坦对时空中因果事件和时空中封存的历史的世界观格格不入。

更重要的是,根据量子力学,一个粒子的状态可以与另一个粒子的状态相关,即使它们相隔很远。对此爱因斯坦很不喜欢,因为这似乎暗示了那些不能被一束光连接起来的事件,也可以发生相互关系,这便打破了“没有什么东西可以比光速更快”的法则。他认为,这种“鬼魅般的超距作用”证明了量子理论的不完备性,尽管后来的实验证据皆指向了相反的方向。

尽管我们无法确定未来的实验将带领我们走向何方,但我们可以确定的是,如果有一天量子力学和广义相对论能够被统一,那么肯定会带来许多意想不到的惊喜。


参考链接:
https://theconversation.com/will-we-have-to-rewrite-einsteins-theory-of-general-relativity-50057


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