为什么相对论和量子力学无法兼容？
路平2019-08-03 18:00
“相对论是科学，量子力学也是科学，为什么两者不能互相解释呢？谁更科学？”，这个问题要比我们想象中的复杂一些，我们来一层层得地看。
首先，相对论分为狭义相对论和广义相对论。
狭义相对论
爱因斯坦统一了时间和空间，认为它们不是分立的物理量，并提出了四维时空的世界观。
除此之外，爱因斯坦还统一了能量和质量。他认为能量和质量是一回事，是一体两面，是我们用什么方式测量的结果而已，于是，他给出了质能等价公式：E=MC^2
广义相对论
至于广义相对论，其实我们只要了解它是一种描述引力本质的理论即可。爱因斯坦在广义相对论中，还提出了著名了场方程。
并且他基于场方程预言了引力波，科学家史瓦西预言了黑洞。
总体来说，相对论其实是一种描述大尺度，这个尺度有以下几个特点：
达到了10^8光年的尺度；速度与光速达到同一数量级，并且越接近光速，相对论效应越明显；引力巨大时。在这三种极端条件下，相对论预言的结果和现实观测拟合得十分完美，远远超过牛顿力学的描述。比如：爱丁顿之所以在日全食时，观测光线偏折，就是因为太阳附近的引力巨大，相对论效应明显。
量子力学
至于量子力学，是一群科学家共同努力的结果，第一批是普朗克和爱因斯坦；第二批则是波尔，波恩和索莫非；第三批是海森堡，薛定谔，狄拉克和泡利等人。
而量子力学其实时描述微观世界的物理学，尤其是在亚原子尺度上，牛顿力学在这个尺度上同样遭遇了误差极其大的情况。而量子力学可以很好地描述亚原子世界的物理现象，并且可以预测。
尺度不同
所以，我们很容易发现，相对论和量子力学都是科学，它们都具备科学理论所需要具备的特质，首先是对于研究对象都有严格的定义和描述。其次，都是利用数学预言描述理论，并且都得到了实验和观测的证明。同时，它们也都提供了可被证伪的方法。（当然，现在还无法被证伪）这也就是说，它们是坚实的科学理论，不存在谁更科学地说法。
只不过，它们描述的尺度极大的不同，相对论描述的引力巨大，尺度巨大，速度巨快的尺度下的物理学现象。而量子力学则是描述在亚原子，也就是纳米级以下的物理学现象。两者的尺度差了得有20个数量级。
狭义相对论与量子力学的联姻
但并不是说，双方就没有办法相互结合，实际上是可以的。
首先，牛顿力学其实是相对论和量子力学在宏观低速下的近似。所以，牛顿力学是可以用相对论和量子力学来诠释的。
其次，狭义相对论和量子力学已经被很好地进行结合，狄拉克就结合了狭义相对论和量子力学，提出了量子场论。
这是1927年，狄拉克在他的论文《描述辐射的发射和吸收的量子理论》提出来的，并且量子电动力学也是在这篇论文中被提出，他还预测了存在电子的反粒子，也就是正电子，这后来也被实验所验证。而量子场论通过把“场”进行量子化，解决了量子力学中非定域性的问题，并且这个结果满足了洛伦兹协变论。后来，量子电动力学也引发了科学革命，粒子物理标准模型也激素hi在量子电动力学的基础上发展起来的。
这里多补充一句，这当中的概念后面还要用到。所谓的定于定域性原则是指：任何的物理学效应都不可能超光速传递。而非定域性，正好是和定域性原则相反的，说的是在量子力学中，在处于纠缠态的体统中，粒子之间的相互作用是可以超光速的。所以，其实狭义相对论和量子力学已经有了很好的结合。
广义相对论和量子力学的矛盾
由于广义相对论没有办法重整化，所以，目前来说，广义相对论和量子场论还不能完全相容。当然，科学家一直都在致力于将两者进行结合，这也是目前理论物理学研究的一个方向之一。之所以两个理论进行相容特别难，我认为有以下几个原因：
之前也说到，广义相对论是描述引力本质的理论，惠勒就曾经有一句话很好地概括了广义相对论对于引力本质地解释，那就是：
时空告诉物质如何运动, 物质告诉时空如何弯曲。
这里的时空指的是四维时空，但是量子场论中，这时空观就不同了，量子还有自旋空间，而且量子场论和广义相对论对于时间的描述方式也是不可协调的。所以，由于两者时空观上的差异，使得量子场论和广义相对论不容易被调和。这里就说这一点，其实两者在黑洞相关的物理学理论，以及普朗克尺度下也都有出现了无法调和的矛盾。这也是为什么“引力子”理论一直无法纳入到粒子物理标准模型的原因。
最后，我们来总结一下：量子力学和相对论描述的是不同尺度下的物理学，量子力学描述的是小尺度上的，小于纳米级以下的物理学现象，而相对论则描述的是大尺度下的物理学现象。他们都是科学，不存在谁更科学的说法。
在狄拉克的努力下，狭义相对论以及和量子力学结合，有了量子场论。而广义相对论与量子力学的结合目前来说还困难重重，而科学坚信，两者是可以融合的，只是我们目前还不知道背后的机制而已。
举报/反馈
0
0
收藏
分享
