相对论币：相对论和量子力学的主要矛盾是什么？

相对论和量子力学相互矛盾这件事其实是还没有定论，或者说，如果从纯粹理论的角度上看，目前它们是有一部分融合了，有一部分科学家还在试图用各种办法把它们融合到一起，因此，现在就下定论说，两者是相互矛盾的说法是不太合适的。那具体是咋回事呢？

我们要先从两个理论描述了什么来进行入手。

相对论

在19世纪末，20世纪初，当时科学家普遍认为物理学基本上已经发展到了尽头，由于牛顿力学和麦克斯韦方程实在是太准确了。当时没办法解决的就只有光速需不需要介质（当然，当时认为是需要一种叫做以太的介质，但实际上实验发现并不存在）以及黑体辐射问题。

而“以太”这一支，诞生了相对论。具体来说就是，两条基本假设：光速不变原理以及伽利略的相对性原理构建了相对论。

他在相对论中统一了“空间”和“时间”，并且它认为：

空间和时间并不是分立的，而应该结合起来看，并称为时空，或者四维时空。

爱因斯坦的老师闵可夫斯基则在狭义相对论的基础上，提出了时空光锥的概念。我们可以粗暴地理解成，过去影响现在，而现在影响未来，但只有在光锥内的时间才会被影响。

同时爱因斯坦，还继续利用这两条假设统一了“能量”和“质量”，他认为，

质量和能量是一回事，是一个东西的两个面，能量里有质量，质量里有能量。

并且基于这个认识，他提出了质量和能量的等价关系，也就是著名的质能方程。

当然，以上我们提到的其实都是狭义相对论的内容。而广义相对论则是狭义相对论的一种推广，狭义相对论说白了研究是的惯性系下的运动，也就是时空是平直时的运动情况。

而广义相对论推广到了一般性的情况，即使是时空发生了弯曲，也同样适用。

爱因斯坦发现，引力会引起时空的弯曲。或者说，引力的本质其实是时空的弯曲。

这听起来很玄幻有没有？

但是理论到底对不对，并不是我们人为凭借感官来下判断的。实际上，从牛顿时期开始，物理学就已经开始走向了反直觉的路径。而一个理论到底正确与否，其实要靠实验说话。

爱因斯坦的相对论就经受住了实验的考验，狭义相对论部分有μ子实验和原子钟等实验的支撑。而广义相对论则有光线偏折，引力透镜等观测现象做支撑。并且广义相对论还预言了引力波和黑洞的存在。这些也使得相对论成为了如今被主流学术圈所承认的主流理论。

量子力学

量子力学其实是由于黑体辐射的危机所导致的。当时普朗克发现，如果假设能量是连续的，理论和实验观测就没有办法拟合了。

于是，他提出了“量子”假说，认为能量存在最小的单位，也就是说能量是一份一份的，这也就解决了黑体辐射。从这时起，量子力学就一发不可收拾，前前后后三代几十位伟大的科学家为此做出了杰出的贡献。

而这当中，海森堡的不确定性原理和薛定谔的波动方程称为了量子力学的核心理论。

不过，我们要注意的是，量子力学和相对论有个截然不同的特点，量子力学描述的是微观世界的物理学现象，而相对论则描述的是大尺度上的物理学现象（尤其是引力大，速度快），而且两者都可以在宏观低速下兼容的牛顿力学，同时在各自的尺度内奇准无比。

相对论与量子力学的联姻

相对论和量子力学并不是完全不能协调的，实际上是可以的，而且还联姻出了一个目前的主流理论：量子场论。

这是由和海森堡、薛定谔齐名的英国物理学家狄拉克做出来的，他把狭义相对论和量子力学进行了联姻，提出了量子场论。还预言了电子的反粒子正电子的存在。

上世纪50年代至今一直在发展的主流理论叫做：粒子物理学标准模型。这套理论就是建立在量子场论的基础之上的。

广义相对论和量子力学可能出现的矛盾？

可能你要问了，既然狭义相对论和量子力学已经联姻了，那广义相对论和量子力学呢？

实际上，两者并没有实现联姻。科学家一直都在尝试将两者结合来了。但是始终没有能够成功，虽然科学家对于广义相对论和量子力学的联姻是抱有乐观的态度。

但不妨碍我们来看看，到底是哪里出了问题，准确来说，其实是来自于时空理论的矛盾，在广义相对论中所用到的是四维时空的时空观，而在量子力学中，量子还存在一个自旋空间，这使得两者就出现了矛盾。其次，两者在黑洞和普朗克尺度下都出现了失效的问题。

其实，还有个“定域性原则”的存在，翻译成我们熟悉的词汇，就是量子纠缠出现超光速问题，这也是和广义相对论格格不入的。

以上这些问题，都是广义相对论和量子力学联姻的阻碍，科学家也在试图寻找新的方式或者理论来弥补两者之间存在的问题。

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编译者/作者：宫世泰

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