爱因斯坦的终极梦想

作者: 彬彬

来源: 新浪科技

发布日期: 2015-11-26 09:20:50

爱因斯坦余生致力于统一广义相对论与量子力学,但未成功。广义相对论与量子力学存在矛盾,至今无法统一解释。科学家们尝试通过弦理论和环形量子引力说来解决这一问题,但尚未找到确凿的科学验证方法。

爱因斯坦余生花费了大量心血,企图找到方法可以将广义相对论与量子力学统一起来,可最终还是失败了。今年11月份是阿尔伯特-爱因斯坦著名的“广义相对论”诞生一百周年。广义相对论是一项辉煌璀灿的科学成就,是描述引力最简洁的科学理论。然而,这一理论与量子力学存在矛盾,一百年来始终无法用某个理论统一解释。

目前,许多科学家都致力于这一领域的研究,其中最为人所熟知的是弦理论和环形量子引力说,然而,二者目前均无法进行科学试验以检验对错。

爱因斯坦的广义相对论在宏观尺度上令人信服,它完美地解释了脉冲双星之间的相互绕行以及水星的近日点进动。广义相对论还是GPS系统的关键指导理论,如今人们每天都在用到GPS导航。然而,宇宙的开端与黑洞中心附近的地带实在是截然不同的两个世界——量子世界。在量子世界里,亚原子尺度的粒子是主角。

爱因斯坦余生花费了大量心血,企图找到方法可以将广义相对论与量子力学统一起来,可最终还是失败了。

不但他失败了,之后数十年所有前赴后继的科学家都未能成功。广义相对论与量子力学都是20世纪初的两大重要物理学理论,有关如何统一这两大理论的基本问题一直是科学界感兴趣的一个话题。科学家首先面临的是一个系统性问题:广义相对论运用的是一套微分方程,它们描述的是数学家所称的平滑可微分的空间。相反,量子力学描述的是一个量化的世界,例如在这个世界中,物质是以离散块状出现的。

为了阐明这些不同的数学公式,人们需要用不同寻常的思维深入思考一下日常熟悉的一种物质:液态水。即使不了解它,人们也已经对水持有两种不同的观点,可以解释微分方程与离散数学之间的矛盾。打个比方,回想一下用手在水里划过时的感受,那时候你觉得水是一种连续的物质,你手边的水与周围的水没什么两样。然而,人们都知道事实并非如此,水是由水分子组成。一旦聚焦到小于三埃的距离时,一切都变了。

在现代科学中,科学家也在不断尝试解决爱因斯坦曾陷入的同样困境。理由很简单:科学的目标是解释所有的物理现实,从可能的最小物体到宇宙大远景。科学家希望告诉人们,所有的物质都来源于一些积木(或许只是一块积木),以及它们之间潜存的作用力。在四个已知的自然基本力中,科学家已经研究出三个量子理论,引力的量子理论始终令人迷惑不解。

在这些理念中,最有名的就是描述微观世界引力的弦理论。弦理论的一个基本观点是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的“弦”(包括像意大利面状有端点的“开弦”和像呼啦圈状的“闭弦”)。弦理论中的弦尺度非常小,弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。弦理论的合理性在于,它描述一次振动就是一个引力子,尽管它从未被科学家发现,但仍被认为是产生引力的粒子。

目前的情况看起来简单,即科学家关于量子引力还未形成一个可靠可信的理论,解决过程却非常艰难。量子的微观世界与引力的宏观世界还是相互矛盾,无法用某个理论来统一解释。不过,现代科学家都在致力解决这个迄今为止最为困难的问题,或许有一天爱因斯坦未完成的梦想会被实现。

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