“科学终级理论”是什么？为什么会让物理学两大支柱不可调和？
发布时间：2023-04-22 10:40:53 所属栏目：动态 来源：
导读：由于量子力学和广义相对论两大支柱之间的明显矛盾,因此现代物理学正面临着极大的挑战。广义相对论用于研究巨大的物体和宏观天文学，而量子力学则专注于微小粒子的研究，这两个研究领域都有着丰富的成果。然而，当我们
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由于量子力学和广义相对论两大支柱之间的明显矛盾,因此现代物理学正面临着极大的挑战。广义相对论用于研究巨大的物体和宏观天文学，而量子力学则专注于微小粒子的研究，这两个研究领域都有着丰富的成果。然而，当我们需要将它们应用于自然问题时，我们会发现自然界似乎与这两个理论立场相矛盾。一方面，自然界支持了广义相对论的立场，而另一方面，它又支持了量子力学的立场。这种情况为什么会存在呢？ 历史上，当出现两种不同的物理理论存在矛盾时，引入第三种理论以兼容它们已经发生了很多次。 “例如，伽利略的物理学和开普勒的天体物理学存在矛盾，但牛顿通过提出万有引力的理论将它们统一了。麦克斯韦和法拉第也将电场和磁场统一起来，得到了电磁场方程。然而，这两个理论又与牛顿力学存在冲突，而爱因斯坦通过狭义相对论和广义相对论将它们融合了起来。 ” 如今，我们只认为存在四种基本力，即强力、弱力、电磁力和引力。然而，爱因斯坦的一生都致力于将它们统一起来，但最终未能成功。因此，如今有许多物理学家为了找到这一究级答案而努力，这便是大统一理论遥远的探索之路。这种理论至关重要，因为它是人类走向真相的门票，被称为“万物之理”、“科学终极理论”。 经过近百年的探索，物理学家在强力、弱力和电磁力的统一方面已经取得了基本成功。但唯一仍然无法解决的问题是引力。相比其他几种力，引力异常奇怪，它的作用强度微弱却范围广阔几乎无限（请勿受弱力名称的影响，它的作用强度仅相当于引力的1025倍）。值得注意的是，以上三种力都已被量子力学成功解释，只有引力仍存在广义相对论的冲突难题，缺乏可靠的解释理论。 在很久以前，人们是如何理解磁场的力和重力的呢？牛顿在他的书中定义引力是一种超距离作用力，即认为这是一种类似“虚空感应”的作用方式，不需要实体。事实上在那个时代的人们对暗物质磁场的第一种普遍认识也是“黑洞的一种看不见摸不着的不可控制的超距离带电粒子的作用”。 然而，随着时间的推移，后来人们发现了几个现象：磁场可以产生电场，电场也可以产生磁场，电场和磁场可以相互感应，产生电磁波。光的本质是电磁波，拥有波动性，并且还拥有粒子性，即光子。这些相互关联的结论，把中间部分去掉，我们得到一个非常奇怪的结果：磁场是由光子组成的。 这听起来非常别扭，但是这确实是量子物理学的巨大成就之一：电磁场是量子场，由量子组成，电磁场的量子就是光子，而电场和磁场不过是同一个物质的两种表现形式罢了。 所以，当两块磁铁相互排斥时，你可以想象有两束光子流因相互冲击而产生作用力。这些看不见的作用力在量子力学中得到破除，它们都只是极细小的粒子直接相互作用而产生的效果。后来，物理学家们还发现传递强力的量子（胶子）和传递弱力的量子（弱玻色子），这使得量子物理学大展拳脚，似乎无所不能。 事实上，量子物理学几乎成为了物理学的终极神器。自从量子力学方程诞生以来的几十年里，物理学家们每天都像在大年三十一样兴奋，在遇到一个新问题时，只需要使用量子力学方程进行计算就能得出正确答案。 例如，现代化学领域有一个元素周期表，它根据元素的电荷数量进行排列。但是人们一直不明白为什么这些元素会有独特的性质。为什么第一个元素氢比较活泼，而第二个元素氦却非常稳定？为什么它们的性质不是平稳变化的，而是突然改变的？为什么有些元素是金属而另一些则不是？ 量子物理学的方程可以用来计算原子核，得出整数解。通过参照元素周期表，物理学家们发现这些整数解与元素周期表的特性完美契合！这些数值其实代表着电子轨道。例如，如果第一个整数解是2，则说明在原子核外最多可以同时存在两个电子，因此第二个元素氦没有孤立电子，因此非常稳定。因此，量子物理学完美地揭示了元素周期表的奥秘！ 然而，量子力学却不能解决引力问题。如果我们假设引力也是由量子场引起的，那么就会存在名为“引力子”的东西。但是事实上，物理学家无论怎么计算都找不到一个可以合理描述引力子的方程。这其实很好理解，因为量子场的特征和现实世界还是很相似的。如果一个场是全方向扩散的，那么必然会衰减得很快。但是引力却十分不同，它本身很微弱，却极难衰减，可以近乎无限地传播下去。量子的“直接作用”就无法解释它。 广义相对论是一个非常出色的理论，可以很好地解释引力现象。它的方程不仅能很好地计算引力，还能解释一些特殊的天文现象（如水星近日点进动）和预测天体（如黑洞）。然而，相对论和量子力学的基础完全不同，它认为引力场就是时空本身，而引力的本质则是巨大质量的物体可以从“几何学”的角度扭曲时空。这导致物体可能会“向扭曲更大的方向掉落”。 简单点说也就是说，原来的广义相对论中的时空观是连续并且没有间隙的，不需要什么具体的物质作为支撑的。这样一来问题就很明显了，总结一下就是：量子力学：一切场包括引力场理应是量子场，而量子场本质是不连续的。 量子力学：一切场包括引力场理应是量子场，而量子场本质是不连续的。 相对论：引力场是固有存在且连续的，引力是时间和空间的扭曲造成的。 尽管相对论在解释引力场方面非常有效，它无法精确说明“引力场（即时空）的本质”。我们只能精确描述它，就像我们可以计算沙子的流动性和刚性，但是不知道沙子同时拥有这两种特性的本质。相反，虽然量子力学在过去的历史中获胜无数，但却无法找到纳入引力场的公式。到目前为止，我们已经可以清楚地了解到使用现有的量子理论无法对其进行解释，未来也许会指明存在这样一种理论。这两个观点之间不相容且不能相互解决的困境正是阻碍“大统一理论”发展的主要原因。 ✦ 物理学家们长期以来一直在尝试解决这个困境。以下是两种主要的解决方案。 ✦弦理论： 通过利用数学方法构建一个复杂的公式，该公式既可以变形成量子力学的公式，也可以变形成广义相对论的公式，最终得出一个假设：万物都由闭合、振动的弦构成，不同频率的振动形成了基本粒子和现象。然而，目前这个理论还存在问题，需要增加额外的维度才能自圆其说。此外，弦理论预言的质子衰变和一些神秘的粒子仍未得到实验验证。 ✦圈量子理论： 该理论认为，空间本身就是由“空间量子之海”组成的，空间的扭曲是由极小的空间量子导致的。与其他量子场不同，该理论将空间单独进行量子化，被证明更加高效简洁。然而，这个理论不认可时间的位置，它认为每个空间量子的时间都是不同的，因此时间只是参考变量，无法作为基本变量。这与广义相对论中每个位置的时间都是不同的观点有所区别，可能颠覆人们对于世界的认知。如果我们能够找到一个更好的方法，那么就可以通过时间的倒流来解释宇宙的起源，从而得到更多关于宇宙的信息。 （编辑：聊城站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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