誰來終結“相對論”和“量子力學”之間的對抗？讓弦論來試一試

在十九宿世紀的最后一天，歐洲的聞名科學家齊聚一堂，為了迎接二十宿世紀的到來。在此次“眾星云集”的聚會之上，威廉·湯姆遜（開爾文男爵）頒發祝詞并進行演講：開爾文總結了物理學的成長，到今朝為止大部門的力學現象都已經可以應用經典力學進行詮釋，牛頓力學三心猿意馬律深切人道應用普遍；而在電磁范疇麥克斯韋的電磁場理論也可以詮釋闡發根基的電磁現象；而熱力學和統計力學的成長，可以對天然界中的熱現象進行詮釋申明。可以說經典力學、經典電磁學和經典力學已經逐漸地搭建起經典物理學大廈。可是開爾文話鋒一轉，對二十宿世紀物理學的成長偏向進行了瞻望，在經典物理學天空之上還存在著兩朵烏云，這兩朵烏云別離是“邁克耳遜-莫雷嘗試打破了牛頓的以太說”和”黑體輻射嘗試成果與理論的紛歧致“，這兩朵烏云成長出了二十宿世紀物理學的兩大支柱相對論和量子力學。

物理學的古跡年和“十年磨一劍”

時候來到1905年，這一年在現代又被稱為物理學的古跡年。在這一年愛因斯坦26歲，這個年數對于現代人來說可能也就是正在攻讀研究生吧！在這一年里愛因斯坦先后頒發了5篇高水準的論文，這五篇論文開啟了物理學的新紀元。它們別離是：

1、分子巨細的新測心猿意馬

2、分子熱活動中靜止液體中懸浮小粒子的活動（驗證詮釋了布朗活動）

3、論活動物體的電動力學（狹義相對論）

4、物體的慣性和它所含有的能量關系

5、關于光的發生和轉化的一個試探性不雅點（獲得1921年諾貝爾物理學獎，開啟了量子力學）

狹義相對論有這么幾個關頭點：在任何慣性系中，所有物理紀律不變；光在真空中速度恒為C；洛倫茲變換；同時性的相對性；時候膨脹、空間上縮短；洛倫茲變換……在上邊這幾個關頭詞中大師對于時候膨脹應該是領會最多的，因為經常會有科普文章介紹這個時候膨脹，簡單的理解就是物體的活動速度影響了時候的流逝速度，活動速度越快時候流逝速度越慢。

大約十年后也就是1915年愛因斯坦把引力加人本身的理論系統，提出了廣義相對論，其焦點不雅點就是時空彎曲，例如黑洞、引力波、蟲洞等都是廣義相對論研究的內容。2015年9月14日人類初次發現引力波旌旗燈號，在昔時的12月26日人類第二次發現引力波旌旗燈號，這些都是愛因斯坦大約在100年前預言的。

“薛心猿意馬諤的貓”鬼使神差地當作為了量子力學的代名詞

此刻經常有人說起這個“薛心猿意馬諤的貓”思維嘗試，講述的是一個貓既死又活疊加態的故事。這個思維嘗試的提出是有汗青布景的，那時量子力學成長到了一個岔路口，因為量子力學哥本哈根派的插手，對于量子力學的詮釋讓愛因斯坦等一眾物理學家感應不成思議。不僅僅把報酬的不雅測扯入了嘗試成果傍邊，而且提出了不確定性道理。愛因斯坦等一眾科學家對峙的是“一個中間，兩個根基點”：因果律、心猿意馬域性、客不雅其實性。哥本哈根派的這一系列詮釋，愛因斯坦接管不了，是以發出了“天主還擲骰子嗎？”的談吐。而薛心猿意馬諤緊隨厥后提出了薛心猿意馬諤的貓思維嘗試，目標是用貓處在“既死又活的疊加態”用以嘲諷對比哥本哈根派“量子既A又B的性質”。

愛因斯坦和玻爾在加入索爾維會議路上

當然了愛因斯坦和量子力學底子哈根派的較勁中輸了，量子力學仿佛脫胎換骨走上了一個老一派物理學家難以接管又不得不認可的新道路。

二十宿世紀物理學的兩大支柱在各自合用范疇大放光線

我們可以從大標準下熟悉宇宙，例如恒星、星系、星系團、超星系團，今朝的可不雅測宇宙直徑已經達到了930億光年，這些都是在相對論供給的理論框架之下。同時我們也在逐漸地領會微不雅宿世界，敲開原子跑出原子核和電子，原子核內的中子和質子可以繼續敲開，會跑出紛歧樣的夸克。這些根基粒子都是量子力學在研究的，相對論是完全插不上手的。對于四大根基感化力：電磁力、強力、弱力、引力，此中前三種在某種意義上來說已經被量子力學同一了，也就是粒子物理尺度模子，既詮釋了物質的根基構成，又要同一四大根基感化力（今朝提出的引力子尚無法確定）。而廣義相對論對于引力的素質詮釋很簡單，就是時空彎曲的外在表示，最賤的的一句話就是：質量告訴時空若何彎曲，彎曲的時空告訴物質若何活動。

可是當把量子力學和相對論往一路捏的時辰就發生了嚴重的問題，兩個代表性理論底子是不相容的，例如宇宙中的極端特例黑洞，在黑洞中間存在的奇點知足“小而重”的概念，可是用相對論和量子力學配合研究的時辰都不克不及完美的詮釋“奇點”。這意味著有新的理論有待發現，它可以同一量子力學和相對論。

弦理論當作為同一量子力學和相對論的最佳“候選人”

愛因斯坦在生命的后半段就本家兒要研究了同一場論，但愛因斯坦那個時代只有引力和電磁力，而強力和弱力還沒有被發現。弦理論是一種普遍概念的理論，它最初成長于二十宿世紀六十年月，被一個名為維尼齊亞諾的意大利物理學家偶爾發現，這個時辰弦理論認為宇宙是26維時空的，而跟著成長超對稱的插手釀成了超弦理論，該理論認為宇宙是10維時空的，而最新的M理論同一了五種前提下的超弦理論認為宇宙是11維時空的。今朝M理論是弦理論中最新的理論，認為我們糊口的4維時空是宏不雅的，而剩下的七個維度空間蜷縮在微不雅宿世界，在普朗克尺寸之下，今朝的不雅測手藝無法看到。

在粒子物理尺度模子中，宇宙的根基構成被看作是一個個沒有內部布局的根基點粒子，而且這個模子的預言在微不雅宿世界百億億分之一米的標準上獲得驗證，可是遺憾的時辰沒有包羅引力。而弦理論認為宇宙的根基組成要素是一根根有著分歧振動頻率的弦，這些弦很是小遠在普朗克尺寸之下。這樣的詮釋設心猿意馬可以把相對論和量子力學扯到一個新的協調框架中，在這里它們不再發生矛盾。四大根基感化力和宇宙的根基構成，在個理論框架中都可以同一，這是當作為萬物理論的關頭。

可是M理論提出的所有預言都很難被嘗試發現或者證實，該理論今朝只存在于數學公式中，今朝關于弦理論的嘗試不雅測應該是尋找超對稱粒子，尋找這種粒子關頭性的設備就是大型的粒子對撞機，沒有設備一切都是免談。M理論固然具備著當作為萬物理論的前提，可是在將來的成長道路上還需要做良多的工作，但愿M理論的成長可以把人類文明帶到更高的高度，更高有多高？一向在路上就好。

文/科學黑洞，圖片來歷收集侵刪。