Question

为什么说相对论和量子力学互相矛盾？

Answer 1

在民间或者业务爱好者中间，有很多人热衷于拿相对论和量子力学做比较。我首先想说的是，其实相对论和量子力学属于完全不同类型的理论，从物理学范畴上分，相对论属于经典物理范畴，量子力学属于量子物理范畴。什么是经典物理学？经典物理学认为时空是连续的，一切事物的发展，一旦初始状态确定，原则上就可以从理论上预言它以后任何时刻的状态，即所谓的决定论。什么是量子物理学？量子物理学认为，时空是不连续的，是量子化的，物体的状态由波函数的概率描述，状态具有不确定性，也就是说即使物体初始状态知道了，从理论上根本就不能完全确定以后的状态，只能从概率上给出某些可能性，即所谓的非决定论。

然后再说说什么是相对论。相对论包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对论在1905年建立完成，广义相对论在1915年建立完成。

麦克斯韦建立了麦克斯韦方程组，统一描述了一切电磁现象，这是一项伟大的成就 。学过电磁学的人都知道麦克斯韦方程组对一切惯性系都成立。这一点，比较爱思考的人便会发现，麦克斯韦方程组预言的电磁波对于一切惯性系来说，传播速度都是光速，然而这一点与伽利略变换有着不可调和的矛盾。伽利略变换认为，光速对于不同的参考系来说，必然是不同的。显然，这两者之间必然至少有一个是错误的。爱因斯坦经过思考，毅然放弃了伽利略变换，建立了狭义相对论。狭义相对论是种时空理论，其本质上颠覆牛顿时空观，牛顿时空观认为，时间和空间是完全独立的概念，时间和空间不互相影响，天生就是分开的，时间和空间分别都是绝对的，而狭义相对论认为时间和空间是一个整体，时空作为一个整体是绝对的，不能随便分解，如果需要分解，那么必须约定分解办法，最自然的分解办法就是基于某一个参考系进行分解，所以时空的分解是参考系依赖的，也就是说是相对于约定的那个参考系的，可见，时空作为一个整体是绝对的，然而分开的时间和空间是相对的，这便是狭义相对论的相对时空观（注意，作为一个整体，相对论认为时空是绝对的，与任何参考系无关，业余人士往往在这点上有误解！）。

广义相对论是一种引力理论，牛顿万有引力定律也是引力理论中的一种。狭义相对论建立以后，爱因斯坦就着手把所有的力学理论都纳入相对论框架中（那时还没有成熟的量子理论，所以未考虑量子化问题），一切进展顺利，但是唯独牛顿的万有引力理论完全无法完成相对论改造。因此，爱因斯坦意识到，狭义相对论必然是不完善的，因为它无法将引力纳入它的框架中。经过一番非凡的研究之后，爱因斯坦毅然放弃了万有引力理论，建立了广义相对论用以代替万有引力理论（在此可以看到，广义相对论是一种引力理论）。广义相对论认为，引力并不存在，是物质引起了时空的弯曲（这里说的时空正是狭义相对论里说的那种时空，时空是一个整体，既不是时间，也不是空间，而是时空，这一点一定要清楚！），物质在弯曲的时空中运动，当我们在分开的时空观念（人们已经不自觉地以某个参考系比如地球进行了时空分解）中观察物体运动时，发觉物体表现出了受到引力的特征。总之一句话，物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动（这就是爱因斯坦场方程的通俗解释）。这就是广义相对论，将引力也纳入了相对论的框架中（广义相对论作为一种引力理论，就是认为根本没有引力，引力完全就是一种运动学效应）。

量子力学是基于量子理论的概念，研究粒子的相互作用，也就是力学问题。目前有量子电动力学和量子色动力学。量子电动力学是描述电磁相互作用的理论，后来统一了电磁相互作用和弱相互作用。量子色动力学是描述强相互作用的理论。两者目前已经相对成熟，预言实验结果的精确程度能够达到令人咋舌的地步！可以说是非常的成功。但是，量子力学中完全没有引力的影子，一切理论中都忽略引力相互作用。因此，量子力学缺失了引力理论。如何在量子框架下建立引力理论，成为了理论物理学家们的棘手问题。

先看现有的引力理论-广义相对论。显然，广义相对论不是量子化的理论，不是理论物理学家们所追求的完美引力理论。这一点，在黑洞和宇宙学问题上表现得尤为明显。广义相对论认为，黑洞形成后物质会继续塌缩，直到收缩为一个奇点，在这个点上时空弯曲无穷大，一切物理理论包括相对论都不再适用。广义相对论还认为，宇宙应该开始于一个奇点，继而不断膨胀成我们今现在的宇宙，同样，在在奇点上相对论也失效。霍金进一步以定理强力地证明了，只要广义相对论正确，那么宇宙中必然会存在奇点。这就是说，从相对论出发，最终却推导出了奇点，而且在奇点上相对论失效，因此可以肯定地说，广义相对论作为一种引力理论，在微观尺度上是错误的（注意，这不能否定其在宏观尺度上的成功）。

因此，寻找一个量子化的引力理论（量子引力理论）是不可避免的事情。在这点上有两种思路，第一种思路：既然广义相对论在宏观尺度上是如此成功，那么是否可以将广义相对论量子化，让它在微观尺度上也正确？这一思路的佼佼者便是著名的圈量子引力理论。第二种思路：既然量子场论（量子力学的场论描述）如此成功，能不能在统一场论框架下寻找一种引力理论？这种引力理论天生就是量子化的。这种思路的佼佼者便是著名的超弦理论（更准确地说是M理论）。然而遗憾的是，无论是圈量子引力还是超弦理论目前都存在巨大困难，离完美的量子引力理论还有距离。因此，可以说，到现在，还没有成熟的量子引力理论。这也是目前理论物理学家的主要目标之一。

经过以上的简短科普，相信读者对于相对论和量子力学有没有矛盾这样的业余问题已经有了新的认识。