统一与自洽,无劳无功?广义相对论与量子力学的未来在哪?

统一与自洽,无劳无功?广义相对论与量子力学的未来在哪?
2019年11月08日 11:43 士值品牌馆丨科技

提问:广义相对论与量子力学是否需要统一呢?

回答:广义相对论与量子力学两者皆是描述自然的。我们希望有一种对于自然的描述,它是能够自圆其说的。这就是统一的含义:一个能自洽的理论。

从实际的角度来看,这样的统一或许是没必要的。量子场论只在弯曲的空间背景才能被较好的运用。而经典的引力学说精准的描述了弯曲的空间背景。

所以只有当几何不再仅仅被当做是背景,或相反的,当经典的学说不再精确时,是否需要统一的问题才会出现。在其他的场景下,一种被称之为半经典引力的理论会有较好的运用:这种理论使用一种称作量子场期望值的数值作为经典引力的来源,它能继而推算出这些量子场的弯曲背景。

所以或许从实用的角度而言,这都是我们所需要的,因为绝不会有任何一个实验能使我们超越半经典引力。但是即便如此,这种理论是一种不完美的存在,介于经典引力与量子场两种理论之间,这是令人不满意的(也许从哲学上讲)。

可谁又知道呢?或许有一天,通过一些聪明的观测或实验,我们能发现量子引力的机制,在这样的情况下,这个问题才有了实际意义。或相反的,也许这两种理论的统一可能导致新的应用,甚至可能导致新的工程类型。

广义相对论(gr,又称general theory of relativity或gtr)是爱因斯坦于1915年发表的关于引力的几何理论,是现代物理学中对引力的最新描述。广义相对论推广了狭义相对论,并改进了牛顿万有引力定律,将引力统一描述为时空的几何性质。特别是,时空的曲率与任何物质和辐射的能量和动量直接相关。这种关系是由爱因斯坦场方程(一个偏微分方程组)规定的。

图解:行星绕恒星作公转的经典力学轨道(红)和广义相对论轨道(蓝)比较

广义相对论的一些预言与经典物理学的预言有很大的不同,特别是在时间的流逝、空间的几何学、物体在自由落体中的运动以及光的传播方面。这种差异的例子包括引力时间膨胀、引力透镜、光的引力红移和引力时间延迟。迄今为止,广义相对论对经典物理学的预测已在所有观测和实验中得到证实。

图解:一个卡拉比-丘流形的投影,由弦论所提出的紧化额外维度的一种方法

虽然广义相对论不是唯一关于引力的相对理论,但它是最简单的理论,并且与实验数据是一致的。然而,还存在着一些尚未解决的问题,最根本的问题是如何使广义相对论与量子物理定律相协调,从而产生一个完整的、自洽的量子引力理论。

量子力学(简称QM;又称量子物理学、量子理论、波动力学模型或矩阵力学),包括量子场论,是物理学中描述原子和亚原子粒子在最小能级尺度上的性质的基础理论。

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聚集在一起讨论新近表述的量子理论。

经典物理学是在相对论和量子力学形成之前就存在的关于物理的描述,它在普通(宏观)尺度上描述自然界。经典物理学中的大多数理论都可以从量子力学中导出的,作为一种在大(宏观)尺度上有效的近似。量子力学与经典物理学的不同之处在于,束缚系统的能量、动量、角动量和其他量仅限于离散值(量子化),物体具有粒子和波(波粒二象性),以及测量量的精度是有限制的(不确定度原理)。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.forbes-313

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