為什麼量子力學和相對論有矛盾？超弦理論或將統一物理學

07-26

牛頓力學在過去兩百年內穩穩地統治著物理學。這種情況直到20世紀才被打破，牛頓力學遲遲解決不了黑體輻射和光速不變這兩朵物理學天空中的烏雲，這兩大問題的解決也分別催生了量子力學和相對論。

相對論和量子力學都可以說是人類智慧的結晶，它們都經過了最嚴格的實驗驗證，都是當前最成功的理論。但是量子力學和相對論卻有著難以調和的矛盾，愛因斯坦晚年為了解決這個矛盾曾一度致力於勾畫大統一理論，然而事違人願，愛因斯坦直到去世都沒有解決這個問題。

大家知道，牛頓力學在宏觀低速的世界裡很適用。但是在宏觀高速領域就需要相對論來解釋了，在微觀高速領域就需要相對論量子力學來解釋了。

其實量子力學和相對論的衝突重要體現在《廣義相對論》中的引力上。我們知道相對論分成《狹義相對論》和《廣義相對論》，前者發表於1905年，並衝破了牛頓絕對時空觀的桎梏，是對時空觀的全新詮釋，但卻只適用於慣性系。而《廣義相對論》是對狹義相對論的推廣，從而更好的闡釋了引力的本質只是時空彎曲的表象，並適用於非慣性系，且具有協變性。

量子力學和相對論的矛盾不在狹義相對論的時空觀上，而是體現在廣義相對論上。我們知道，大自然中有四種基本相互作用力，分別是強相互作用力，弱相互作用力，電磁作用力，還有引力。而前三種力都是屬於量子力學研究的範疇，只有引力是廣義相對論研究的範疇。相對論中的引力必然屬於經典世界。而其他三種力都屬於超乎常理的微觀世界，用相對論解釋前三種力顯然是不行了。同樣地，用量子力學解釋引力也顯然是行不通的。而且在微觀領域，粒子的運動極其詭異，它們既是波粒二象性的，又遵守態疊加原理，甚至還有魔鬼般的超距作用——量子糾纏。而電子繞原子核運動並沒有固定軌道，它們會隨機出現在原子核外的某一空間點上，而我們只能用電子云這樣的概率方式來量化電子的運動軌道，那麼廣義相對論的引力方程顯然是不能解釋這種現象的。

近一百年來，物理學家們都嘗試著統一相對論和量子力學，企圖找到大統一理論來調和雙方。但是很遺憾，但目前為止，大統一理論並未建立起來。但被眾多科學家給予眾望的大統一理論便是超弦理論。超弦理論認為量子力學和相對論都不是終極理論，因為物質的本質並不是實在的，微觀粒子只是非物質狀態的一種弦的振動。弦的不同形式振動會產生各種最基本的物質粒子。這樣以來，大自然中的四種基本相互作用就可以被統一起來了。