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廣義相對論和量子力學到底有什麽矛盾?愛因斯坦半輩子也沒能解決

2024-11-05科學

跨越半個世紀的科學天際,烏雲密布,其中籠罩的是人類對宇宙的理解之惑。難題的焦點在於,我們所掌握的宇宙知識基於兩套截然不同的理論體系。

其一是愛因斯坦提出的廣義相對論,用以解釋天際中浩瀚星球與星系這類巨大天體的執行。而另一方面,掌控著微觀世界的,是另一個全然相異的法則——量子力學,負責描繪原子,甚至是更為微小的亞原子粒子的行為。

盡管各自在各自的範疇內,這兩套理論都展示出了驚人的準確性,但一旦嘗試將二者融合,以揭示宇宙深層的神秘面紗,困難和矛盾便隨之而生。

拿宇宙的黎明為例,亦即所謂的大爆炸時刻,宇宙從一個極小的奇異點迸發而出,隨後經過約140億年的膨脹和冷卻,逐漸形成了星辰、星系以及圍繞它們運轉的行星。

如果我們逆著時間的長河,將分裂的萬物回溯至其來源,我們將會目睹宇宙不斷地收縮、升溫以及密度的增大,最終,一切將返回到時間的起點,抵達大爆炸的那一刻——一個宇宙質素無窮大、體積無窮小,時間也停滯不前的奇異點。

正是在這種極限的交匯處,廣義相對論和量子力學似乎要分道揚鑣了。但假若我們嘗試將量子力學與廣義相對論融為一體,再次審視宇宙誕生的過程,將會有怎樣的景觀呢?

當我們從宏觀的視角描繪宇宙時,便會參照愛因斯坦的廣義相對論,它揭示了重力的運作機制。在這個理論裏,宇宙仿佛一個巨大的彈床,平滑而延展,其中的巨大質素如恒星和行星等天體扭曲了周圍的時空,造成了我們所感知的重力。

換言之,維持地球環繞太陽之舞的重力,不過是地球在太陽所制造的特殊時空波紋上所作的奇妙舞蹈。然而,廣義相對論所預言的這幅平滑起伏的宇宙畫卷,並不是宇宙的全部面貌。

若要從極其微觀的角度探索宇宙,我們必須轉向量子力學的法則。量子力學為我們展開的畫卷與廣義相對論所描述的截然不同,仿佛它們代表的是兩個徹底分隔的宇宙。

為了洞悉廣義相對論與量子力學的沖突,我們必須縮小自己的視野,進入微觀粒子的世界,在那裏,曾經熟悉的、可預知的宇宙圖景將逐漸被一個不確定、充滿可能的世界所取代。

如果我們繼續縮小尺度,直至尺寸比原子中的微觀粒子更小,量子力學會告訴我們,在這樣的尺度下,空間結構將呈現波動且混亂的景象,一個嘈雜而不合邏輯的世界。

在那個世界中,時間和空間的概念被扭曲至無法辨認,通常意義上的上下、左右甚至時間的先後順序都變得模糊不清。在那個奇異的領域,你無法確定自己是處於A點或B點,或是同時存在於兩者之間,又或者在你抵達之前,你的存在已經穿越了時間的邊界。

不可爭辯的是,不論是量子力學還是廣義相對論,它們都在現代社會中施展著各自的魔法。相比之下,量子力學對於大眾來說可能較為陌生,甚至連愛因斯坦在其一生中都未能成功將它與廣義相對論融為一體。然而,量子力學的套用已經深入我們日常生活的方方面面,從普通的電燈泡到復雜的電子產品,再到尖端的量子通訊技術,或許它將引領人類進入下一個科技革新的時代。