Question

量子力学和相对论是怎么来的？

Answer 1

18世纪末，约翰·米切尔（JohnMichell）牧师和皮尔·西蒙·拉普拉斯把光速有限的认识与牛顿的逃逸速度概念结合起来，从而发现了引力的最富魅力的结果：黑洞。

逃逸速度的概念是人们很熟悉的。一个人无论用多大力向空中扔出石块，石块终将落回地面，这使人感到引力似乎不可抗拒。然而，我们还是要问，引力能够对物质束缚到什么程度？如果不是由地球上而是由火星的一颗小卫星上（比如说火卫一）抛出石块，情形就完全不同。火卫一的引力是如此之小，一个人的臂力就足以把石块抛到绕它运转的轨道上，甚至可以把石块抛到围绕火星的轨道上，而火卫一距离火星约有9000公里。

让我们仍回到地球上来。地球的引力可以由一个又深又宽的开口井来表示。抛射物体只有速度足够高才能逃离地球。为了把一颗卫星送入轨道，火箭发射器必须到达一定的高度，然后转到与地面平行的方向，再加速到至少每秒8公里的速度，这个速度所对应的离心力（朝向外空）才能与引力（朝向地心）相平衡。

有一种叫作飞车走壁的危险表演，摩托车手驾车在陡峭的斜壁上奔驰，随着车速增大，车子也沿着斜壁升高。一颗轨道上的卫星很像这里的飞车，它也在引力井的壁上运转。

如果摩托车手进一步把车速增大到另一个临界值以上，他就会飞出斜壁。同样，如果火箭的速度足够大，它也能摆脱地球的吸引。这个临界速度对一块石头或一枚火箭来说都是一样的，它就叫逃逸速度。就地球而言，它是11.2公里/秒，对其他任何一个行星、恒星或别的天体，也很容易算出其大小。这个速度只取决于那个提供引力的星球的性质，而与被抛射的物体无关。星球的质量越大，逃逸速度也越大；质量一定时，逃逸速度则随星球半径的减小而增大。

这就是说，一个星球的密度越大也就是越致密，它的引力井就越深，要逃脱它的束缚显然就越困难。火卫一的逃逸速度只有5米/秒，月亮的是2.4公里/秒，而太阳的是620公里/秒。对于更致密的星球，例如白矮星，这个速度高达每秒数千公里。

关于黑洞的思想正是来自于把简单的逃逸速度概念推向极端。自1676年奥拉斯·雷默（OlsusRoemer）对木星、卫星的运动进行观测以来，已经知道光的速度大约是300000公里/秒。于是就很容易想象出这样一种星球的存在，其质量是如此之大，以至于从其表面逃逸的速度大于光速。

除了超前一个多世纪料想到光能被引力捕获外，拉普拉斯和米切尔还猜想到巨大的暗天体可能像恒星一样众多。在20世纪末，这科学巨变的时期，暗物质的存在正是宇宙学中最重要的课题之一。宇宙总质量的相当大一部分很可能是看不见的。对这些不可见星球（直到1968年才命名为“黑洞”）的详细研究需要一种比牛顿理论更精确的引力理论。爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，其“大小”恰与米切尔和拉普拉斯猜想的一样。

但是，严格说来，这两个理论在不可见星球的大小上的一致只是表面上的。按照牛顿理论，即使逃逸速度远大于300000公里/秒，光仍然可以从星球表面射出到一定高度，然后再返回（正如我们总能把一只球从地面往上抛出）。而在广义相对论里来讲逃逸速度就是不正确的了，因为光根本不可能离开黑洞表面。黑洞的表面就像一只由光线织成的网，光线贴着表面环绕运行，但决不能逃出来。如果黑洞在自转，则捕获光的那个面与黑洞自身的表面是不相同的。借助于逃逸速度来描述黑洞，虽然有着重要的历史价值和启发作用，却是过于简单了。

直至广义相对论建立为止，米切尔和拉普拉斯的思想被人们完全遗忘了。这一方面是因为没有什么迹象表明宇宙中存在如此致密的物质（当然，不可见性本身是一个好理由）；另一方面，他们的思想是建立在牛顿关于光本性的微粒说基础上的，即光微粒也像通常物质一样服从引力定律。而在整个19世纪，光的波动说占据了统治地位。按照这种理论，光是一种振动在媒质中的传播，光波是不受引力影响的，米切尔和拉普拉斯的思想因而失效。

导致20世纪的两大物理理论产生的两个简单问题行星的运动之所以能被计算出来，是因为我们知道物体之间的相互吸引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比。然而这里还有许多更深刻的问题尚未回答，比如引力的本质，它如何由物质产生，又如何作用到被真空隔离的物体上。

牛顿的引力不像马拉车的力那样通过直接接触来传递。一个物体产生的引力能作用到远处的另一物体，这种不需要媒质而瞬时作用的力的概念，是雷纳·笛卡儿（ReneDescartes）于1644年在其《哲学原理》（Principesdelaphilosophie）中所阐述的，并难以被机械宇宙观所接受。牛顿本人是一个忠实的机械论者，他把自己的定律看作只是一种能计算物体运动的数学工具，而不是一种物理真实。他曾说过，想象引力能瞬时地和超距地作用是荒谬的，是没有一个真正的哲学家能接受的。拉普拉斯曾试图通过考虑引力以有限速度传播来修改牛顿理论，他的推理在原则上是正确的（自爱因斯坦以后，我们知道引力是以光速传播），但在实际上是错误的：他算出引力的传播速度必定是光速的700万倍。

19世纪，同样的超距作用问题重新出现在研究电的学者面前。与引力相似，两个物体间的电力也与它们电荷的乘积成正比（引力是与两物体质量的乘积成正比），与它们距离的平方成反比。尽管物理学家最后还是接受了（没有更好的办法）引力的超距作用，但是，他们却拒不接受电力也是如此。

于是，迈克尔·法拉第（MichaelFaraday）和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）提出了场的概念。场能够作为物体间相互作用的媒介，并以有限速度传播。不是两个电荷在真空中通过瞬时力相互吸引或排斥，而是每一个电荷都在其周围产生一个“电场”，其强度随距离增大而减小。每个电荷所受的力都归结为两个场的相互作用。那么，引力也能以同样方式来描述：一个物体产生的引力场作用于所有其他物体。

这决不只是一种描述词语的简单改变。场的根本优越性在于，它把瞬时超距作用代之以需要时间来传播并随空间距离增大而减弱的作用。场论，这经典物理的光辉顶峰，看似毁坏了牛顿物理的根基，实则开辟了通向电磁学，然后是相对论的道路。

麦克斯韦的理论统一了电和磁，看似简化了物理学，实则使问题更为复杂，因为它使伽利略和牛顿的宇宙图像顿起祸端。通过对电磁场的仔细的理论和实验研究，立即提出了两个简单的问题，这两个问题最终导致了20世纪的两大理论物理成果：量子力学和相对论。

Answer 2

什么是时空？时空有尽头吗，又始于何时何处？新的系列，时空画卷，山海经系列我们穿梭千年，这次我们要穿梭百亿年，去寻找时空的开端，启航。。。

Answer 3

量子力学是1900年以普朗克为首的一批科学家研究发现的，

相对论是1905年爱因斯坦个人研究发现的。

广义相对论研究的对象是-宇宙宏观世界，而量子力学研究的对象是-基本粒子微观世界

图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特