爱因斯坦的未完成的梦想:与量子世界结合相对论

爱因斯坦的未完成的梦想:与量子世界结合相对论

这位艺术家的插图描绘了时空的泡沫结构如何出现,显示出小于原子核的微小气泡,这些气泡不断波动并且仅持续一秒的无穷小部分。今年11月是阿尔伯特爱因斯坦广义相对论一百周年。这一理论是爱因斯坦非凡科学生活的最高成就。它告诉我们,空间本身是可塑的,在物质和能量的影响下弯曲和伸展。他的思想彻底改变了人类对宇宙的看法,并为我们的想象添加了黑洞和虫洞等令人兴奋的概念。

爱因斯坦的广义相对论描述了一系列广泛的现象,从几乎从创造的那一刻到结束的时刻,甚至是从最深的空间一直螺旋进入一个贪婪的黑洞的旅程,经历了事件的不归路。地平线,向下,向下,向下,几乎到达中心,奇点潜伏在那里。

深入到量子世界

如果你仔细阅读最后一段,你会注意到我使用了“几乎”这个词两次。这不是偶然的。爱因斯坦的理论在大尺度上得到了极好的证明。它巧妙地解释了轨道二进制脉冲星的行为和水星的轨道。它是GPS系统的一个重要组成部分,可以帮助我们许多人每天在我们的汽车中导航。但宇宙的开始和黑洞中心附近的区域是非常不同的世界-量子世界。这些环境中涉及的大小规模是亚原子的。这就是麻烦开始的地方。

爱因斯坦的鼎盛时期恰逢量子力学的诞生,他与物理学家尼尔斯·玻尔就理论的反直觉和概率预测进行辩论的故事具有传奇色彩。据报道,据他所说,“上帝不会在宇宙中玩骰子”。然而,无论他对量子力学理论的蔑视,爱因斯坦都清楚地意识到理解量子领域的必要性。并且,在他寻求理解和解释广义相对论的过程中,他试图理解当它被应用于超级世界的世界时,在他的史诗理论中如何重力。结果总结为三个词:它失败了。

将量子世界与相对论联系起来

爱因斯坦度过余生,没有成功,寻求将广义相对论与量子力学相结合的方法。虽然很容易描述这种尝试的历史,但这种努力主要是对历史学家感兴趣。毕竟,在接下来的几十年里,他没有成功,也没有人成功。[爱因斯坦最大的胜利:一个广义相对论的世纪(Op-Ed)]

相反,了解与20世纪初这两个关键理论相关的基本问题更为有趣。最初的问题是系统问题:广义相对论使用一组微分方程来描述数学家称之为平滑和可微分的空间。用外行人的话来说,这意味着广义相对论的数学是平滑的,没有任何尖锐的边缘。相比之下,量子力学描述了量子化的世界,例如物质以离散的块状物存在的世界。这意味着这里有一个对象,但不存在。锋利的边缘比比皆是。

水的比喻

为了澄清这些不同的数学公式,人们需要比平时更深入地思考一个我们非常熟悉的非常熟悉的物质:液态水。在不知情的情况下,你已经掌握了两种关于水的不同观点,这些观点说明了微分方程和离散数学之间的张力。

例如,当您想到熟悉水中手的经验时,您会认为水是一种连续的物质。你手边的水和一英尺外的水相似。遥远的水可能更热或更冷或以不同的速度移动,但水的本质是相同的。当您考虑到越来越接近您手的不同体积的水时,您的体验是一样的。即使您考虑将两个水分隔一毫米或半毫米,它们之间的空间也包含更多的水。事实上,流体流动和湍流的数学假设没有最小的,不可分割的水。在任意两个任意近距离之间,会有水。描述这种情况的数学是微分方程。

但你也知道这不是真的。你知道水分子。如果你认为距离小于约3埃(水分子的大小),一切都会改变。你不能小于此,因为当你探测更小的距离时,水不再是一个明智的概念。那时,你开始探测原子内部的空洞,其中电子围绕一个小而密集的核旋转。事实上,量子力学是围绕着最小的物体和离散的距离和能量的想法而建立的。这就是加热气体在特定波长下发光的原因:电子在特定能量下轨道运行,在规定的几个之间没有轨道。

因此,适当的水量子理论必须考虑到存在单个分子的事实。“水”这个概念有一个最小的距离。因此,在核心,两个理论的数学(例如广义相对论的微分方程和量子力学的离散数学)从根本上是不一致的。

理论能合并吗?

这本身并不是一个难以克服的难题。毕竟,量子力学的部分由微分方程很好地描述。但是一个相关的问题是,当人们试图合并这两种理论时,无穷大就会存在;当计算中出现无穷大时,这是一个红旗,你以某种方式做错了什么。

例如,假设您将电子视为没有大小的经典物体,并计算将两个电子组合在一起所需的能量。如果你这样做,你会发现能量是无限的。对数学家而言,无限是一项严肃的事业。这比可见宇宙中所有恒星发出的所有能量更能量。虽然这种能量在其规模上令人难以置信,但并非无限。想象整个宇宙的能量集中在一个点上是令人难以置信的,无限的能量远不止于此。

因此,实际计算中的无穷大是一个明显的迹象,表明你已经将模型推到了适用范围之外,你需要开始寻找一些你在简化模型中忽略的新物理原理。在现代,科学家们试图解决使爱因斯坦陷入困境的同样难题。原因很简单:科学的目标是解释所有物理现实,从最小的可能物体到宇宙的宏伟远景。

希望是表明所有物质都源自少数构建块(可能只有一个)和一个潜在的力量,我们目前认识到的力量来自这些力量。在四种已知的自然基本力量中,我们已经能够设计三种量子理论:电磁学,强核力和弱核力。然而,量子引力理论已经躲过了我们。广义相对论无疑是一个重要的进步,但在我们设计出引力的量子理论之前,没有希望设计一个统一的万物理论。虽然科学界尚未就正确的方向进行达成共识,但有些想法的成功有限。

超弦理论

可以在微观世界中描述引力的最着名的理论被称为超弦理论。在这个理论中,最小的已知粒子不应该被认为是小球,而是微小的弦,有点像非常小的未煮熟的意大利面条或微型Hula-Hoop棒。基本思想是这些微小的弦(与质子比质子相比,与你相比更小)振动,每个振动呈现出不同的基本粒子。使用音乐比喻,电子可能是A-sharp,而光子可能是D-flat。与单个小提琴弦可以具有许多泛音的方式相同,单个超弦的振动可以是不同的粒子。超弦理论的优点在于它允许其中一个振动是引力子,它是一个从未被发现但被认为是引起引力的粒子的粒子。

应该指出的是,超弦理论并不被普遍接受,事实上,科学界的某些人甚至根本不认为它是一种科学理论。原因在于,为了使理论科学化,它必须能够被测试,并且有可能被证明是错误的。然而,这些理论字符串的非常小的规模使得很难想象在可预见的未来可以进行的任何测试。而且,有人说,如果你不能现实地进行测试,那就不是科学。就个人而言,我认为这是一种极端的观点,因为人们可以想象当技术进步时进行这样的测试。但那个时间将来会很遥远。

解释量子引力的另一个想法叫做“环量子引力”。这个理论实际上量化了时空本身。换句话说,这个模型表明存在最小的空间和最短的时间。除其他外,这种挑衅性的想法表明,不同波长的光速可能不同。然而,这种效果(如果存在的话)很小,并且在观察到这种差异之前需要光行进很长的距离。为此,科学家正在研究伽马射线爆发,爆炸如此明亮,以至于可以在数十亿光年中看到它们-宇宙的一个例子帮助科学家研究微观。

一个简单的事实是,我们还没有一个好的,普遍接受的量子引力理论。现在这个问题太难了。量子的微观世界和万有引力的世界长期以来一直抵制着结婚幸福的生活,至少在目前,他们还在继续抗拒。然而,科学家们继续发现将两者结合起来的联系。与此同时,量子引力理论仍然是现代科学最雄心勃勃的目标之一-希望有一天我们能够实现爱因斯坦未完成的梦想。

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