作者簡(jiǎn)介：Don Lincoln是美國(guó)能源部費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)最大的強(qiáng)子對(duì)撞研究機(jī)構(gòu)）的資深科學(xué)家。他時(shí)常會(huì)公開(kāi)發(fā)布一些文章，你可以在facebook上關(guān)注他。
今年十一月是愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論的一百周年，廣義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦非凡的科學(xué)生涯中最偉大的成就之一。該理論向我們闡明了在物質(zhì)和能量的影響下，空間是可以延展、彎曲和拉伸的。這徹底改變了人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知，還引入了一些振奮人心的概念，如黑洞和蟲(chóng)洞。
在600千米的距離上觀看十倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞（模擬圖），背景為銀河系。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論描述的是一個(gè)廣泛的現(xiàn)象，幾乎貫穿了時(shí)間的起點(diǎn)到時(shí)間的終點(diǎn)，甚至描述了在深空中向黑洞墜落之旅，穿越過(guò)視界，不斷墜落，幾乎落到黑洞的中心——奇點(diǎn)。
深入到量子世界
上文中用了兩次的“幾乎”這個(gè)詞，這并非意外。愛(ài)因斯坦的理論在大尺度上表現(xiàn)得相當(dāng)?shù)某錾Ｔ摾碚撉擅畹亟忉屃嗽S多現(xiàn)象，如水星的運(yùn)行軌道和脈沖雙星的運(yùn)轉(zhuǎn)。而且，這還是GPS定位系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。
但是，宇宙的開(kāi)端和黑洞的中心地帶是一個(gè)不同尋常的世界——量子世界。在這樣的環(huán)境下所研究的問(wèn)題涉及到了亞原子尺度，而這正是問(wèn)題的所在。
愛(ài)因斯坦的全盛時(shí)期正好是量子力學(xué)誕生之際，他與玻爾關(guān)于這一反常規(guī)的預(yù)言的爭(zhēng)論鑄造了一段傳奇?！吧系凼遣粩S骰子的！”這是愛(ài)因斯坦留下的一句著名的言論。
1925年，玻爾與愛(ài)因斯坦討論問(wèn)題。
然而，盡管愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)嗤之以鼻，但是他也意識(shí)到了量子領(lǐng)域的重要性。于是他開(kāi)始探尋如何將他的史詩(shī)般的理論應(yīng)用于微觀世界。他的努力所得的結(jié)果可以用三個(gè)字概括：失，敗，了！
相對(duì)論與量子世界
愛(ài)因斯坦用他的余生來(lái)探尋統(tǒng)一廣義相對(duì)論與量子力學(xué)的方法，但一無(wú)所獲。歷史學(xué)家對(duì)這段歷史相當(dāng)感興趣，因?yàn)樘觳艣](méi)有取得成功。但是，在接下來(lái)的幾十年里也沒(méi)有人能完成他的夢(mèng)想。
晚年時(shí)的愛(ài)因斯坦。
當(dāng)你結(jié)合這兩個(gè)二十世紀(jì)最重要的理論來(lái)認(rèn)知這個(gè)世界的基本問(wèn)題時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很有趣。廣義相對(duì)論使用了一系列的微分方程描述了一個(gè)數(shù)學(xué)上所謂的平滑連續(xù)的可微分的空間。在外行人看來(lái)，相對(duì)論在數(shù)學(xué)上是平滑的，沒(méi)有任何尖銳的邊緣。而量子力學(xué)描述的是一個(gè)量子化的世界，世界上的物質(zhì)是離散的，存在不連續(xù)性。
以水為例
為了弄清這些不同的數(shù)學(xué)公式，我們可以對(duì)我們?cè)偈煜げ贿^(guò)的物質(zhì)——液態(tài)水進(jìn)行深入的探討。也許你聽(tīng)說(shuō)過(guò)用微分方程和離散數(shù)學(xué)這兩種方法來(lái)描述水的張力。
想象一下一個(gè)你很熟悉的場(chǎng)景，當(dāng)你的手插入水中時(shí)，你會(huì)覺(jué)得水是連續(xù)的物質(zhì)。你可以想象把水用很小的空間間隔開(kāi)，但是在這些空間里依然會(huì)充滿水。事實(shí)上，數(shù)學(xué)上假設(shè)流體是無(wú)法分割成很多的最小單位體而存在，它們是連續(xù)存在的。不管你把空間范圍縮減到多小，其間都是充滿水的，數(shù)學(xué)上用微分方程來(lái)描述這種情況。也就是說(shuō)，微分方程假設(shè)不存在最小單位體。
水分子示意圖。
但是，我們都知道這是不可能的。我們都知道水分子，當(dāng)我們將考慮的尺寸縮小到3埃米（水分子的尺寸）以內(nèi)，一切就不一樣了。當(dāng)然，我們無(wú)法觸及這么小的尺度，因?yàn)楫?dāng)尺寸縮小到這個(gè)程度時(shí)，水的概念已經(jīng)不一樣了。在這個(gè)層次上，我們探尋的將是原子內(nèi)部的空間，一個(gè)電子繞著一個(gè)原子核旋轉(zhuǎn)著。而量子力學(xué)基于這么一個(gè)理念——存在最小單位體，且距離和能量是離散的。這也是加熱氣體會(huì)發(fā)射出特定波長(zhǎng)的電磁波的原因：電子處在特定的能級(jí)，每個(gè)能級(jí)之間沒(méi)有其他軌道，電子躍遷時(shí)，如果起始能級(jí)的能量比最終能級(jí)的能量高，原子便會(huì)釋放能量（通常以電磁波的形式發(fā)放）。
電子從一個(gè)能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時(shí)，會(huì)以電磁波的形式將能量差釋出。
因此，在數(shù)學(xué)上統(tǒng)一這兩種理論本質(zhì)上是不可能的！
相對(duì)論與量子力學(xué)的不相容
單獨(dú)來(lái)看，這兩個(gè)理論都能理解，但是當(dāng)你想把這兩個(gè)理論統(tǒng)一起來(lái)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)不可調(diào)和的矛盾，這也意味著你一開(kāi)始就錯(cuò)了。
例如，如果把一個(gè)電子看成是一個(gè)沒(méi)有大小的經(jīng)典的物體，當(dāng)你計(jì)算要多少的能量才能將兩個(gè)電子融合在一起時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)需要無(wú)窮的能量。無(wú)窮對(duì)于數(shù)學(xué)家來(lái)說(shuō)是一件頭疼的事，這將比宇宙中所有恒星釋放的能量的總和還多。無(wú)窮的能量對(duì)于電子這樣小的尺度來(lái)說(shuō)是讓人難以置信的。因此，實(shí)際計(jì)算得出的無(wú)窮大的結(jié)果表明在一定的適用范圍外，我們不得不尋找一些新的物理定律。
在現(xiàn)代，科學(xué)家們也在試圖解決困惑愛(ài)因斯坦的難題。原因很簡(jiǎn)單：科學(xué)的目的就是解釋所有的現(xiàn)象，從最小的可能存在的物體到最大尺度的宇宙。
在我們所知的自然界的四大基本力（強(qiáng)核力、弱核力、電磁力以及引力）中，我們已經(jīng)可以為其中三個(gè)——強(qiáng)核力、弱核力、電磁力設(shè)定量子力學(xué)理論。
由大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產(chǎn)生時(shí)的景象。
廣義相對(duì)論無(wú)疑是一大進(jìn)步，但是只要我們?nèi)匀粺o(wú)法設(shè)定量子引力理論，那么我們就沒(méi)法用統(tǒng)一的理論來(lái)適用于一切。雖然在科學(xué)界，對(duì)該問(wèn)題正確的研究方向依舊沒(méi)有形成共識(shí)，但也有一些存在局限性的成功的想法，如弦理論。
弦理論
弦理論，又稱弦論，是理論物理學(xué)的一支，結(jié)合了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論。弦理論用一段“能量弦線”作最基本的單位，以說(shuō)明宇宙里所有微觀粒子如電子、質(zhì)子及夸克都由這一維的“能量線”所組成。
物質(zhì)放大呈現(xiàn)不同階段，終結(jié)于弦階段：①物質(zhì)；②分子結(jié)構(gòu)（原子）；③原子（質(zhì)子、中子、電子）；④電子；⑤夸克；⑥弦。
弦理論引起了很多科學(xué)家的注意，大部分的原因是因?yàn)樗苡锌赡軙?huì)成為大統(tǒng)一理論。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一。至于弦理論能不能成功的解釋基于目前物理界已知的所有作用力和物質(zhì)所組成的宇宙，這還是未知數(shù)。
在未獲實(shí)驗(yàn)證實(shí)之前，弦理論暫屬于哲學(xué)的范疇，不能完全算是物理學(xué)。其無(wú)法獲得實(shí)驗(yàn)證明的原因之一是目前尚沒(méi)有人對(duì)弦理論有足夠的了解而做出正確的預(yù)測(cè)，另外，目前的高速粒子加速器還不夠強(qiáng)大。
編譯/小三
聯(lián)系客服
