谁来终结“相对论”和“量子力学”之间的对抗？让弦论来试一试

在十九宿世纪的最后一天，欧洲的闻名科学家齐聚一堂，为了迎接二十宿世纪的到来。在此次“众星云集”的聚会之上，威廉·汤姆逊（开尔文男爵）颁发祝词并进行演讲：开尔文总结了物理学的成长，到今朝为止大部门的力学现象都已经可以应用经典力学进行诠释，牛顿力学三心猿意马律深切人道应用普遍；而在电磁范畴麦克斯韦的电磁场理论也可以诠释阐发根基的电磁现象；而热力学和统计力学的成长，可以对天然界中的热现象进行诠释申明。可以说经典力学、经典电磁学和经典力学已经逐渐地搭建起经典物理学大厦。可是开尔文话锋一转，对二十宿世纪物理学的成长偏向进行了瞻望，在经典物理学天空之上还存在着两朵乌云，这两朵乌云别离是“迈克耳逊-莫雷尝试打破了牛顿的以太说”和”黑体辐射尝试成果与理论的纷歧致“，这两朵乌云成长出了二十宿世纪物理学的两大支柱相对论和量子力学。

物理学的古迹年和“十年磨一剑”

时候来到1905年，这一年在现代又被称为物理学的古迹年。在这一年爱因斯坦26岁，这个年数对于现代人来说可能也就是正在攻读研究生吧！在这一年里爱因斯坦先后颁发了5篇高水准的论文，这五篇论文开启了物理学的新纪元。它们别离是：

1、分子巨细的新测心猿意马

2、分子热活动中静止液体中悬浮小粒子的活动（验证诠释了布朗活动）

3、论活动物体的电动力学（狭义相对论）

4、物体的惯性和它所含有的能量关系

5、关于光的发生和转化的一个试探性不雅点（获得1921年诺贝尔物理学奖，开启了量子力学）

狭义相对论有这么几个关头点：在任何惯性系中，所有物理纪律不变；光在真空中速度恒为C；洛伦兹变换；同时性的相对性；时候膨胀、空间上缩短；洛伦兹变换……在上边这几个关头词中大师对于时候膨胀应该是领会最多的，因为经常会有科普文章介绍这个时候膨胀，简单的理解就是物体的活动速度影响了时候的流逝速度，活动速度越快时候流逝速度越慢。

大约十年后也就是1915年爱因斯坦把引力加人本身的理论系统，提出了广义相对论，其焦点不雅点就是时空弯曲，例如黑洞、引力波、虫洞等都是广义相对论研究的内容。2015年9月14日人类初次发现引力波旌旗灯号，在昔时的12月26日人类第二次发现引力波旌旗灯号，这些都是爱因斯坦大约在100年前预言的。

“薛心猿意马谔的猫”鬼使神差地当作为了量子力学的代名词

此刻经常有人说起这个“薛心猿意马谔的猫”思维尝试，讲述的是一个猫既死又活叠加态的故事。这个思维尝试的提出是有汗青布景的，那时量子力学成长到了一个岔路口，因为量子力学哥本哈根派的插手，对于量子力学的诠释让爱因斯坦等一众物理学家感应不成思议。不仅仅把报酬的不雅测扯入了尝试成果傍边，而且提出了不确定性道理。爱因斯坦等一众科学家对峙的是“一个中间，两个根基点”：因果律、心猿意马域性、客不雅其实性。哥本哈根派的这一系列诠释，爱因斯坦接管不了，是以发出了“天主还掷骰子吗？”的谈吐。而薛心猿意马谔紧随厥后提出了薛心猿意马谔的猫思维尝试，目标是用猫处在“既死又活的叠加态”用以嘲讽对比哥本哈根派“量子既A又B的性质”。

爱因斯坦和玻尔在加入索尔维会议路上

当然了爱因斯坦和量子力学底子哈根派的较劲中输了，量子力学仿佛脱胎换骨走上了一个老一派物理学家难以接管又不得不认可的新道路。

二十宿世纪物理学的两大支柱在各自合用范畴大放光线

我们可以从大标准下熟悉宇宙，例如恒星、星系、星系团、超星系团，今朝的可不雅测宇宙直径已经达到了930亿光年，这些都是在相对论供给的理论框架之下。同时我们也在逐渐地领会微不雅宿世界，敲开原子跑出原子核和电子，原子核内的中子和质子可以继续敲开，会跑出纷歧样的夸克。这些根基粒子都是量子力学在研究的，相对论是完全插不上手的。对于四大根基感化力：电磁力、强力、弱力、引力，此中前三种在某种意义上来说已经被量子力学同一了，也就是粒子物理尺度模子，既诠释了物质的根基构成，又要同一四大根基感化力（今朝提出的引力子尚无法确定）。而广义相对论对于引力的素质诠释很简单，就是时空弯曲的外在表示，最贱的的一句话就是：质量告诉时空若何弯曲，弯曲的时空告诉物质若何活动。

可是当把量子力学和相对论往一路捏的时辰就发生了严重的问题，两个代表性理论底子是不相容的，例如宇宙中的极端特例黑洞，在黑洞中间存在的奇点知足“小而重”的概念，可是用相对论和量子力学配合研究的时辰都不克不及完美的诠释“奇点”。这意味着有新的理论有待发现，它可以同一量子力学和相对论。

弦理论当作为同一量子力学和相对论的最佳“候选人”

爱因斯坦在生命的后半段就本家儿要研究了同一场论，但爱因斯坦那个时代只有引力和电磁力，而强力和弱力还没有被发现。弦理论是一种普遍概念的理论，它最初成长于二十宿世纪六十年月，被一个名为维尼齐亚诺的意大利物理学家偶尔发现，这个时辰弦理论认为宇宙是26维时空的，而跟着成长超对称的插手酿成了超弦理论，该理论认为宇宙是10维时空的，而最新的M理论同一了五种前提下的超弦理论认为宇宙是11维时空的。今朝M理论是弦理论中最新的理论，认为我们糊口的4维时空是宏不雅的，而剩下的七个维度空间蜷缩在微不雅宿世界，在普朗克尺寸之下，今朝的不雅测手艺无法看到。

在粒子物理尺度模子中，宇宙的根基构成被看作是一个个没有内部布局的根基点粒子，而且这个模子的预言在微不雅宿世界百亿亿分之一米的标准上获得验证，可是遗憾的时辰没有包罗引力。而弦理论认为宇宙的根基组成要素是一根根有着分歧振动频率的弦，这些弦很是小远在普朗克尺寸之下。这样的诠释设心猿意马可以把相对论和量子力学扯到一个新的协调框架中，在这里它们不再发生矛盾。四大根基感化力和宇宙的根基构成，在个理论框架中都可以同一，这是当作为万物理论的关头。

可是M理论提出的所有预言都很难被尝试发现或者证实，该理论今朝只存在于数学公式中，今朝关于弦理论的尝试不雅测应该是寻找超对称粒子，寻找这种粒子关头性的设备就是大型的粒子对撞机，没有设备一切都是免谈。M理论固然具备着当作为万物理论的前提，可是在将来的成长道路上还需要做良多的工作，但愿M理论的成长可以把人类文明带到更高的高度，更高有多高？一向在路上就好。

文/科学黑洞，图片来历收集侵删。