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爱因斯坦会被拉下神坛吗?物理学家正在尝试挑战相对论的王座

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钟铭聊科学 2021-06-14 15:00

说起科学家,相信很多人首先想到的是爱因斯坦和牛顿,还会有人想到索尔维第五次会议的照片,一群20世纪最强大脑的合影。

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可是如今的科学大厦,地基并不牢固,甚至可以说是摇摇欲坠。话说在2000多年前,古希腊罗马时代,科学开始萌芽,当时的最大成就是:地心说,当时的人们认为地球是宇宙的中心。后来,哥白尼又提出了日心说。不过,无论是地心说还是日心说都没有一锤定音,最终是牛顿提出的万有引力定律解释了天体运动的规律,经典物理学也开始发展起来。

到了20世纪,爱因斯坦的相对论革了经典物理学的命,但几乎同时,量子力学也发展了起来。这也就是现代物理学大厦的两个地基。这原本是个好事,万万没想到的是,科学家发现,这两个理论完全没办法调和。那这具体是咋回事呢?

相对论VS量子力学

在爱因斯坦的广义相对论中,引力并不存在,天体之间并不存在相互拖拽的力,引力现象的本质是时空的扭曲。举个例子,月球绕着地球转,是因为地球的质量使得空间发生了扭曲,而月球是贴着时空的测地线在运动,这里的测地线就如同二维平面上的直线,你可以理解成是贴着时空的“地面”在运动,在我们的三维空间中来看,就是月球在绕着地球转。这里的时空指的是光滑的四维结构。

爱因斯坦的相对论在历经了100余年后,已经被主流科学界所接受,这个理论预言黑洞的存在,引力波的存在,以及引力红移现象等等,这后来都被验证了,这使得爱因斯坦击败了牛顿,坐上了物理学的王座。

不过,量子力学试图把相对论挑落下来。在量子力学当中,有一个非常奇葩的理论,那就是:不确定性原理。这个理论告诉我们,粒子同时存在于任何位置,只有当它被观测到时,它才会有固定的位置。在相对论中,时空指的是光滑和连续的四维结构,这和量子力学的不确定性原理是相违背的。

不仅如此,如果把量子力学和相对论结合到一起,矛盾就会自然显现。根据相对论,质量会扭曲时空,而按照量子力学物质又可以呈现各种状态,那么问题来了,到底哪里的时空会被扭曲?是存在多个被扭曲的时空,还是只存在一个扭曲的时空?

弦论和圈量子引力论

科学家想尽了各种办法让量子力学和相对论进行结合到一起,但都宣告失败了。于是,有人甚至提出了更加艰深的理论:弦论。试图用弦论来解决相对论和量子力学的矛盾,不过以我们现在的技术,根本无法验证弦论的正确性。这是因为弦论的理论认为:宇宙中的基本粒子其实也是由更小的,可以振动的弦构成,弦的振动是在11维度上,而弦实在太小,超出了目前观测设备的观测极限,而且在可预见的未来,我们也难真的造出可以观测到弦的设备。那还有其他方案吗?

既然弦论未必走得通,一部分科学家就开始另辟蹊径,提出了圈量子引力论。这些科学家认为,时空并不是像相对论所说的那样是光滑和连续的,时空应该是由一系列非常小的圈圈组成,这些圈圈相互交织在一起,所以看起来好像是光滑的,而这些圈圈的尺度大概是普朗克尺度,也就是只有万亿亿亿亿分之一米。

不过,同样的道理,如果我们要用设备来观测圈量子引力论描述的时空,也是几乎不可能的事情。天文学家正在试图通过观测超远距离的伽玛射线暴来间接证明圈量子引力论的正确性,不过目前由于观测的误差实在太大,还无法真的做到。

然而科学家发现,除了修正相对论中的“时空”定义,人类似乎还没有其他办法可以调和量子力学和相对论之间的矛盾。从目前来看,弦论和圈量子引力论都有机会。而它们的共同特点就是否定了相对论的“时空观”。

因此,如今的主流物理学理论正在试图动摇爱因斯坦的时空观。相信在未来,这个坐在物理学王座上的理论将会被取代。

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