理论教育 量子力学与广义相对论:物质世界的根源?

量子力学与广义相对论:物质世界的根源?

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:在今天的宇宙学研究里,有很多理论模型都是依靠广义相对论作为基础的。事实上,在20世纪,科学家已经清楚地认识到广义相对论与量子力学有一些重要的冲突。所以长期以来,广义相对论与量子力学都只能应用在不同的领域之中。因此,约在半个世纪以前,有人建议创立“弦理论”,声称其可以同时满足量子力学与广义相对论的要求。对于弦理论的研究目前有几种批评意见。

量子力学与广义相对论:物质世界的根源?

在今天的宇宙学研究里,有很多理论模型都是依靠广义相对论作为基础的。例如我们前面提到的“Λ冷暗物质模型”就是如此。近年比较流行的“暴胀理论”(Inflation model)也应用到了广义相对论。目前,物理学并没有很多针对大尺度系统的成熟理论,广义相对论几乎是唯一可供人们拓展想象的理论工具。在未来,宇宙学家就需要面对一个严肃的问题:把所有的理论全押在一个天才的推测上是否风险太大?万一爱因斯坦的猜想是错的,那怎么办?

事实上,在20世纪,科学家已经清楚地认识到广义相对论与量子力学有一些重要的冲突。相对论主要是一种描述经典力学系统的理论。它与量子力学并不匹配。就拿对于真空的看法来说,相对论的真空概念与量子理论的真空概念完全不相容。而且,广义相对论主要在于尝试了解引力与时空的关系,而量子物理学理论对引力的运用却是无能为力的。有些物理学家曾经尝试建立量子引力理论,但截至目前都没有取得成功。所以长期以来,广义相对论与量子力学都只能应用在不同的领域之中。

因此,约在半个世纪以前,有人建议创立“弦理论”(String theory),声称其可以同时满足量子力学与广义相对论的要求。这种创意得到不少理论物理学家和数学家的响应。在过去几十年里,也的确发展出了一些深奥的数学模型为解决宇宙运作的问题给出了一些希望。有些乐观者甚至声称,“这个弦理论可以解决所有的理论物理问题”,他们因此把弦理论称为“无所不能的理论”(Theory of Everything)。可惜的是,经过了半个世纪的努力,还没有人能够用弦理论解决宇宙学研究上任何具体问题。所以在今天的物理学界,有些人已经开始反对继续资助弦理论的研究了。(www.daowen.com)

对于弦理论的研究目前有几种批评意见。(1)认为它有太多的猜测(speculative)。例如,根据这个理论,可以有很多个宇宙,里面有不同的物理规则。(2)它没有实验上的证据,它所预测的一些粒子得不到实验的证实。(3)它的选择性太多。例如对于真空的状态(vacuum state),据说弦理论的真空状态可以有10500个选择,因此它可以解释任何的实验结果。

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