-
1 # 挺拔83026559
-
2 # 旁觀者周老師
量子力學和廣義相對論有兩個最主要的矛盾,一個是關於引力,引力是廣義相對論的主要概念之一,而量子力學不包括引力,也就是說在量子力學的所有理論和概念中,引力是忽略不計的。另一個是關於時空概念,廣義相對論認為時空是動力系統的一部分,而量子力學認為時空是獨立於動力系統之外的參照系。許多年來,物理學家們試圖統一這兩個相互矛盾的現代物理學的兩大支柱,包括量子場論,量子色動力學,就是試圖在量子力學的框架內引入引力概念的嘗試。而圈量子引力理論則相反,試圖在廣義相對論的框架下,引入量子的概念。至於超弦理論則另闢蹊徑,透過引進量子的更小的結構,即量子不再是最小的粒子,或者一個“點”,而是由更小的震動弦構成,並由此試圖完成物理學兩大支柱理論的大統一。所有這些努力,到目前為止都沒有取得令人滿意,又取得共識的結果,任然是任重而道遠。由此可知,在物理學家眼裡,無論是廣義相對論,或者是量子力學,都還不是一個令人滿意和信服的完備理論。
-
3 # 孤猴78345271
原創思想,簡而言之,量子力學是研究能量的,不包括質量和引力,反之,廣義相對論是研究質量產生的時空彎曲的,顯然二者水火不容。因為宇宙是質量和能量的終極對立統一,所以追求所謂的`大統一’純系愛因斯坦們的思維錯誤。可以說,混淆質量和能量,是主流物理精英們所犯的最大錯誤之一。遺憾的是,自愛氏誤認為質量即能量,誤認為引力產生能量-引力波至今,物理精英們仍執迷不悟,走在這條錯誤的不歸路上。
-
4 # 趣味說
我們用簡單的術語解釋為什麼我們需要一個量子引力理論(QG),即量子力學(QM)與廣義相對論(GR)的統一。在這裡嘗試用簡單的解釋為什麼這樣的統一很難實現。
量化是量子力學(QM)中的一個核心概念。這是一個經典理論和“量子論”的過程。它基本上包括把你係統中的可觀測值(位置、動量、能量等),在經典理論中只是數字,變成作用於量子態的運算元。那麼可觀測值就是相應運算元關於系統量子態的期望值。
在沒有涉及到數學細節的情況下,這個量子化過程是負責所有的量子現象,如不確定性和糾纏,這些在量子化之前並不是經典理論系統的一部分。
當你的系統不是相對論系統的時候,這一切都很好。用簡單的話來說,沒有太多的能量,一切都以比光速小得多的速度運動。
然而,事實證明,當你的系統是相對論系統的時候,這種量子化是不起作用的。因此,為了描述基本粒子,這些基本粒子通常運動速度非常快,並且是在很高的能量下產生的,物理學家需要將量子力學(QM)與狹義相對論(SR)統一起來。這種統一的結果稱為量子場論(QFT)。
量子場論(QFT)是場的量子化,而不是粒子的量子化。例如,這允許粒子產生或破壞的情況,這在非相對論性量子力學中是不可能的,但是由狹義相對論預測的。
標準模型(SM)用量子場論的形式描述了電磁、強相互作用和弱相互作用這三種基本相互作用,其精確程度令人難以置信。這些相互作用是用場來描述的。物質(電子、夸克等)也用場來描述,而標準模型解釋了基本的相互作用,即不同場之間的耦合。“耦合”基本上只是“互動”的一個花哨名稱。當兩個(或更多)場相互耦合時,它們可以相互作用。
廣義相對論描述了第四種基本的相互作用,即引力。恰好廣義相對論也是一個場理論!它描述了一個非常特殊的領域的行為,這個度規場負責時空的曲率。這個曲率就是我們所解釋的引力,但它遠不止如此。大質量粒子利用引力相互作用,但即使是無質量粒子也與時空曲率相互作用。
為了描述互動作用,我們需要將標準模型的所有其他場耦合到度規場。然而,這裡存在一個核心問題:標準模型是量子場論,廣義相對論是經典場論!
這個解決方案似乎微不足道:讓我們將廣義相對論量化!如果我們能把廣義相對論的度規場,在它上面執行通常的量子化過程,我們就會有一個關於所有四個基本相互作用的完整的量子理論。
事實上,這是可以做到的。引力可以被量化。問題是,對引力的“天真”量化導致了一種理論在高能量下完全崩潰。這與一個稱為重整化的概念有關。粗略地說,任何量子場論都有一些需要實驗測量的引數。在不知道這些引數的情況下,所有計算都會是毫無意義的結果。
例如,當我們對電磁場進行量化時,我們發現只有少量這樣的引數,測量它們並將它們插入理論中是相當簡單的,以便做出進一步的預測。
然而,當我們對引力進行量化時,我們發現我們需要設定無限個這樣的引數,這樣的理論才有意義。在實踐中顯然是不可能的,甚至在原則上也是不可能的。所以我們說引力是不可再生的。我們可以量化它,但是我們不能從量子理論中產生任何有意義的結果。
這個理論在高能量下會崩潰。您可能想知道,這與重整化有什麼關係?非常粗略地說,重整化引數的數目取決於理論被考慮的能量。在很低的能量下,我們只有標準廣義相對論,重整化引數可以忽略。但是高能是我們真正關心的,在這些能量下,我們不能忽視重整化引數。
因此,“天真的量化”廣義相對論幾乎是無用的。一個好的量子引力理論必須在高能量下才有意義,特別是因為我們想用它來研究非常高能量的場景,比如黑洞和宇宙大爆炸。
如何解決這個問題?有許多不同的方法。其中大多數涉及以某種方式修改量子力學和/或廣義相對論,從而使引力重新可調。
最後,除了重整化的技術問題之外,還有一個更概念性的問題,即如何在量子引力理論的形式主義範圍內看待時空本身。
我們只把量子力學和量子場論理解為粒子或場在給定的“操場”(即固定的背景時空)上相互作用的理論。它不一定必須是平坦的,但它必須是固定的(不變的),並且它不能以任何方式與“前景”中的場互動。
相反,廣義相對論背後的基本思想是時空是一個動態的、不斷變化的物理實體,它不僅影響粒子或在其中運動的場的運動,而且還受它們的影響。時空不再僅僅是一個“背景”,它是一個動態的、相互作用的場,就像任何其他場一樣。
調和量子力學和廣義相對論中這兩種非常不同的時空描述,是任何量子引力理論必須能夠做到的。然而,如果我們想把時空看成一個量子場,那麼我們就需要對時空本身進行量化,我們甚至還沒有對它的含義有一個完整的概念上的理解。
-
5 # 沙沙狐狐
“量子力學”和“相對論”是互不相容的兩個“系統”!
它們的共同之處都是“二元論”,要麼死要麼活——要麼糾纏要麼塌縮;要麼靜如處女要麼動如脫兔——光子要麼靜止m=0要麼飛速m=E/c^2。
它們都想用數學公式統治物理學!
“量子力學”用的是物理學家想象的物理方程,
“相對論”用的是數學名家的“數學方程”!
當然,它們的性質也是一樣的———都屬於“科幻”!
-
6 # GOP2020
首先相對論是具有狹義相對論和廣義相對論之分的,這點非常重要。可以說如果告訴牛頓,光速是不變的,那麼他也可以推出狹義相對論,簡單地說狹義相對論更傾向於對經典理論的修正。
但是廣義相對論則是開天闢地的變化了,題主所說的矛盾實際上是指廣義相對論和量子力學的矛盾,狹義相對論和量子力學是相融的,不過這一般會在量子力學很靠後的位置才會涉及。
我個人學識有限,沒有辦法舉出比較淺顯的例子。如果題主瞭解四種相互作用的話,引力是最最最小的,在量子理論中是忽略的。而由於宏觀世界大體上呈電中性分佈,電磁力不起主要作用,剩餘兩種核力早已超越力程,所以在研究彎曲時空的理論中,其它因素也是不計的。這就導致了他們的起點不同,其描述世界的方法也不同,矛盾也就自然存在。
目前統一量子與引力的理論的源頭來自研究宇宙的起點——大爆炸理論的不完善之處。當爆炸之初,宇宙是如此之小,小到需要用量子理論描述它,而彎曲的時空又需要廣義相對論做支撐,從這個角度看,需要量子引力理論的誕生。
-
7 # 科學黑洞
量子力學和相對論是20世紀物理學的兩大基石,兩大理論分別源自於黑體輻射和MM實驗,它們的“能力”是經典力學不具備的。稍微瞭解的人,都知道量子力學和相對論是不相容的,接下來我們簡單看一下它們的矛盾點。
物理學中有四大基本作用力:強力、弱力、電磁力、引力。而對於這四大基本作用力的本質探索,兩大理論皆有參與。量子力學認為力的產生是由於離子的交換,從而提出了光子交換產生電磁力,弱規範玻色子交換產生弱力,膠子交換產生強力的觀點。這些量子力學的觀點被認為是正確的。我們可能已經看出問題,唯獨引力無法被量子力學解釋,當量子力學試圖提出引力子時,這種理論的數學運算十分複雜且無法自洽。至今未發現陰離子的存在;而廣義相對論認為引力是空間彎曲的外在表現,並已經被多次證實,但是廣義相對論無法對其他三種基本作用力“幾何化”。
廣義相對論和量子力學的本質區別廣義相對論從本質上出發,還算屬於經典宏觀範圍內的理論,在這個理論下這個世界是客觀的,愛因斯坦認為只要有足夠的觀測條件和精準的計算就能確定一切的事情。而量子力學主要是處理微觀粒子範圍的理論,最顯著的就是觀察者概念的引入,從本質上說這個世界是不確定的,我們永遠無法知道一個粒子的確定位置。
從現在來看量子力學和相對論是背道而馳的,在各自領域發揮著作用,但是無法總結到一切,這就證明物理學理論還有待更高一層次,就是出現統一論可以同時修正相對論和量子力學。現在被認為比較有前景的就是超弦理論了。
回覆列表
相對論是大範圍的,普遍意義上的理論。量子力學是精密意義上的,尚未被掌握完成,肯定會前途無量的一種理論。有沒有矛盾,是什麼矛盾慢慢才會搞清楚。