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量子力学与相对论是否矛盾引力似乎能给出答案

2019-10-22 10:42:15 来源: 责任编辑:责任编辑NO。郑子龙0371

发问:据我所知,量子力学与相对论或许是彼此对立的。那这是否阐明其间有一方有问题的呢?

答道:量子力学和相对论在许多方面并不对立,但这并不意味着它们是能够彼此容纳……

首要,现在的量子理论以及量子场论从一开端就有着彻底相对论性。能够说,相对论是“嵌入”量子力学的。相对论是仅有一种能够解说粒子的发作以及湮灭因果关系的量子学说(关于研讨者而言,原因永比成果重要)。

我所言的彻底相对论性,也便是所谓的狭义相对论。反过来看,量子场论是可行的,可是它能够在广义相对论所界说的可歪曲的布景下存在。这么一来,作业开端变得杂乱起来(在一般状况下,咱们有必要彻底承受场的概念并彻底抛弃粒子的概念)。

那么,这有什么用呢?爱因斯坦经过应力-能量张量告知咱们,物质是引力的来历。可是在量子学理论中,这种应力-能量张量不是由数字组成,而是由所谓的非交流算子组成。这是否意味着引力场也有必要用量子理论来描绘?或许现实便是这样……可是,还没有人成功。 现在为止咱们还没有可行的引力量子理论。

图解:1927年第五次索尔维会议,此次会议主题为“电子和光子”,世界上最主要的物理学家集合在一起评论新近表述的量子理论。

那咱们真的需求一个这样的理论吗?现在有一种简略修改正的(简直能够说是太简略)理论能答应相对论和量子力学很好地共存:运用应力-能量张量的期望值,然后代替表明应力-能量张量的量子算子。这些数据能够代入到爱因斯坦的场方程中。这种办法被称为半经典引力,而且它的作用不错。除了大爆炸之后的瞬间或黑洞深处的奇点邻近,半经典引力能够精准地描绘全部当地。也便是说,咱们永久无法经过试验来探究的地址和时刻。

图解:普朗克规律(绿)、维恩规律(蓝)和瑞利-金斯规律(红)在频域下的比较,可见维恩规律在高频区域和普朗克规律相符,瑞利-金斯规律在低频区域和普朗克规律相符。

那么,或许半经典引力便是答案?假如你觉得能够的话,这牵强算是答案,但有许多人激烈对立这个答案。因而,有一些哲理性的考虑超过了半经典引力的领域。当然,也或许是这些理性考虑误导了咱们,只要咱们捉住本相的时分才知道哪一种解说是答案。

图解:光电效应示意图:来自左上方的光子冲击到金属板,将电子逐出金属板,而且向右上方移去。

可是,相对论和量子力学并不是无法相容的。现实上,相对论和量子力学根本上是相容的,乃至能够说一直是相容的。

据我所知,量子力学与相对论或许是彼此对立的。那这是否阐明其间有一方有问题的呢?

首要要表彰一下这个发问者,这是一个很好的问题。显着,被问及的是广义相对论。

图解:依照氢原子或类氢原子的玻尔模型,带负价的电子被局限于原子壳层,它们环绕着尺度很小的带正价原子核。电子从一个能量较高的轨迹跃迁到能量较低的轨迹时,会以电磁波的方法将能量差释出。

广义相对论是仅有一个将时刻和空间作为操作数的经典理论,操作数也便是由方程式发作,而不仅仅是由方程发作的其他参数的坐标。

这也便是说,咱们或许应该将时刻和空间进行量化。这正是形成问题的原因。在量化其他场,比方量化力场时,人们发现要核算两个粒子彼此作用时发作的状况(即散射,在这种状况下,不同的粒子或许会像加速器磕碰那样掉落),要将全部或许的途径无限积分。 这个运算是无穷大的,可是咱们能够将数据从头规划然后获得正确答案。之后,咱们就能够猜测在未来的加速器试验中咱们将会看到什么景象,并验证这个理论是否正确。

图解:设定施特恩-格拉赫试验仪器的磁场方向为z-轴,入射的银原子束能够被分裂成两道银原子束,每一道银原子束代表一种量子态,上旋或下旋。

至于引力,迄今为止还没有人能够做到将量化的空间和时刻累加这项整合的作业,因而,没有加速器的猜测,也没有大爆炸的前瞬间以及物质与能量涌向黑洞中或许存在的奇点(假如不是针对量子理论的话)时的猜测。换句话说,根据时空的量子理论在咱们的研讨中杯水车薪。

弦理论设法在量化时空的状况下列出部分引力的影响。不过弦理论自身还有待证明其正确性。

圈量子引力企图量化时空,不过现在还未抵达能够测验查验的程度。因而,处理这个问题的两个办法现在仍还没被证明。

图解:在无限深方形阱里,两个全同费米子的对立称性波函数绘图。

用其他任何方法表达引力并不能让咱们所服气。时空是满意等效原理最显着的条件,也便是说,时空能够解说引力怎么对全部事物有着相同的影响。这是由于时刻和空间对万事万物都有着相同的影响,大多数相对论者以为这是“美好的”。

一起,还有更深层次的问题。咱们无法直接验证广义相对论中的空间曲率是空间的扩展仍是时刻的缩短。假如世界的扩张是世界内部物体的缩短,那么大众将会持有置疑情绪,因而,人们更倾向于士空间的扩张。但实际上,咱们无法经过试验切当地分辩两者。

图解:假定一个零自旋中性π介子衰变成一个电子与一个正电子,这两个衰变产物各自朝着相反方向移动,尽管彼此之间相隔一段距离,它们仍旧会发作量子羁绊现象。

从1998年和1999年的数据显现,咱们能够看到的世界是平整的。实际上,咱们无法进行在黑洞的事情视界以及其内部进行试验,然后获得正确成果。在能够经过试验获得的范围内,能够用一种不太浪漫,漂亮和政治上正确的方法来拟定引力,而不用对时空进行量化。 可是没有人会这样做。这就如同要让艺术家去画一副丑恶的画,这幅画是或许会有价值的,可是艺术家不会去这样做。

图解:动摇光学在短波长极限成为几许光学,类似地,量子力学在普朗克常数趋零极限成为经典力学。根本而言,在普朗克常数趋零极限,能够从量子力学的薛定谔方程推导出经典力学的哈密顿-亚可比方程。翔实细节,请参阅条目哈密顿-亚可比方程。

综上所述,在引力中,有一个场是取决于物质切当的方位以及质量。在量子理论中,你能够叠加许多东西,比方比如一开端会出现在许多当地,咱们就能够叠加方位(例如双缝试验)。 那么,你是否仅仅将一类东西累加放在其间的引力场?或者是你还有另一个主意,去测验独自量化引力场? 至于后者,你能够看到会越变越杂乱。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. quora- Consumer Tech-秒渺

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