为什么量子力学和相对论有矛盾？超弦理论或将统一物理学

牛顿力学在过去两百年内稳稳地统治着物理学。这种情况直到20世纪才被打破，牛顿力学迟迟解决不了黑体辐射和光速不变这两朵物理学天空中的乌云，这两大问题的解决也分别催生了量子力学和相对论。

相对论和量子力学都可以说是人类智慧的结晶，它们都经过了最严格的实验验证，都是当前最成功的理论。 但是量子力学和相对论却有着难以调和的矛盾，爱因斯坦晚年为了解决这个矛盾曾一度致力于勾画大统一理论，然而事违人愿，爱因斯坦直到去世都没有解决这个问题。

大家知道，牛顿力学在宏观低速的世界里很适用。但是在宏观高速领域就需要相对论来解释了，在微观高速领域就需要相对论量子力学来解释了。

其实量子力学和相对论的冲突重要体现在《广义相对论》中的引力上。我们知道相对论分成《狭义相对论》和《广义相对论》，前者发表于1905年，并冲破了牛顿绝对时空观的桎梏，是对时空观的全新诠释，但却只适用于惯性系。而《广义相对论》是对狭义相对论的推广，从而更好的阐释了引力的本质只是时空弯曲的表象，并适用于非惯性系，且具有协变性。

量子力学和相对论的矛盾不在狭义相对论的时空观上，而是体现在广义相对论上。 我们知道，大自然中有四种基本相互作用力，分别是强相互作用力，弱相互作用力，电磁作用力，还有引力。而前三种力都是属于量子力学研究的范畴，只有引力是广义相对论研究的范畴。相对论中的引力必然属于经典世界。而其他三种力都属于超乎常理的微观世界，用相对论解释前三种力显然是不行了。同样地，用量子力学解释引力也显然是行不通的。而且在微观领域，粒子的运动极其诡异，它们既是波粒二象性的，又遵守态叠加原理，甚至还有魔鬼般的超距作用——量子纠缠。而电子绕原子核运动并没有固定轨道，它们会随机出现在原子核外的某一空间点上，而我们只能用电子云这样的概率方式来量化电子的运动轨道，那么广义相对论的引力方程显然是不能解释这种现象的。

近一百年来，物理学家们都尝试着统一相对论和量子力学，企图找到大统一理论来调和双方。但是很遗憾，但目前为止，大统一理论并未建立起来。但被众多科学家给予众望的大统一理论便是超弦理论。超弦理论认为量子力学和相对论都不是终极理论，因为物质的本质并不是实在的，微观粒子只是非物质状态的一种弦的振动。弦的不同形式振动会产生各种最基本的物质粒子。这样以来，大自然中的四种基本相互作用就可以被统一起来了。

             

原文发布时间为：2017.12.25
本文作者：科学认识论
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