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量子论的终极挑战——广义相对论

量子论的终极挑战——广义相对论

作者: 风之谷的煤煤球 | 来源:发表于2018-06-16 01:12 被阅读0次

在经历了无数的血雨腥风的验证求实之后,这一次量子论面对了它的终极挑战,如何统一或者说兼容广义相对论?

标准的薛定谔方程是非相对论的,在它之中并没有考虑到光速的上限。而狄拉克等人尝试弥补修复后,完成的量子场论实际上是量子力学和狭义相对论的联合产物。当我们仅仅考虑电磁场的时候,我们得到的是量子电动力学,它可以处理电磁力的作用,同性相斥,异性相吸。量子电动力学认为,这个力本质上是两个粒子之间不停地交换光子的结果。两个电子互相靠近并最终因为电磁力而弹开。

但是当处理到原子核内部的事务时,我们面对的就不再是电磁作用力了。比如一个氦原子核,它由两个质子核两个中子组成,中子不带电,可两个质子却都带着正电。如果说同性相斥,那么它门应该互相弹开,但由于它门之间有一种更为强大的核力,比电磁力更强大,才可以把它们拉在一起不分开。既然有“强”相互作用力,必定的还有一种“弱”相互作用力。事实上,弱相互作用力就是造成很多不稳定的粒子衰变的原因。

所以,物理学研究的终极奥义就是要统一这4种力:引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。电磁力被描述为交换光子的结果,而在强相互作用力种,被交换的不是光子而是“介子”,而弱相互作用力中交换的是“中间玻色子”。这三种力实质上是同一种力,只不过在不同的环境下显得非常的不同而已。“大统一理论GUT(Grand Unified Theory)统一了弱相互作用力、强相互作用力核电磁力3种力。

在统一广义相对论和量子论的历史上,产生了不少量子引力理论,这里简单的描述最声名远扬的一个——超弦理论 Superstring Theory。在弦论最惨淡的日子里,只有加州理工大学的施瓦茨和谢尔克两个人还在坚持,他们把原来二十六维弦论简化为只需要十维。这里面初步引入了所谓“超对称”的思想,每一个玻色子都对应一个相应的费米子。【玻色子是自旋为整数的粒子,如光子。而费米子是自旋为半数的粒子,如电子。粗略地说,费米子是构成物质的粒子,而玻色子是承载作用力的粒子

在老的弦理论完成一次脱胎换骨的全新升级之后,新生的就是威力无比的“超弦理论”:任何粒子其实都不是传统意义上的点,而是开放或者闭合的弦,当它们以不同的方式振动时,就分别对应于自然界中不同的粒子,如电子、光子...包括引力子(自旋2质量0)。我们仍生活在一个十维的空间里,但是有六个维度是仅仅蜷缩起来的,所以我们平时察觉不到它。想象一根水管,如果你从很远的地方看它,它细的像一条线,只有一维的结构。但是你把它放大来看,它是有横截面的!在超弦的图像里,我们的世界也是如此,由六个维度由于某种原因收缩的非常紧,以致粗看上去我们的世界仅是四维的,三维空间和一维时间。但如果把时空放大到普朗克尺度上,10-33cm,这时候我们会发现,原本只是时空中一个点的东西,竟然是一个六维的小球。这六个绻缩的维度不停的扰动,从而造成了全部的量子不确定性!

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