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三人行必有我师焉,【前沿物理】为什么广义相对论与量子力学无法一致?爱因斯坦也做不到,搜狗识图

假如你想要回答世界中什么是底子问题,你需求在最小的标准查询物质和能量。假如你测验着把粒子切割到越来越小的结构,当你到小于几纳米的间隔你会开端留意到一些十分风趣的事,这个时分传统的物理规矩还适用。

在更小的标准上,实际开端以古怪的、违背直觉的办法表现。咱们再也不能将实际描绘为由具有清晰界说的特点(如方位和动量)的单个粒子构成。相反,咱们进入了量子的范畴:在那里,底子的非决议论统治着咱们,咱们需求一个关于天然怎么运作的全新的描绘。但即便是量子力学自身也有失利之处。他们从一开端就注定了爱因斯坦最巨大的愿望——对实际的完好、确认性的描绘。这是为什么。

图解:假如让一个网球落在一个像桌子相同硬的外表,你能够确认52youwu它将会弹回去。假如你用一个量子粒子做相同的试验,你会发现这个传统的轨道不是仅有的或许成果,是小于100%的一陆沉慕星种或许。很古怪,有一种限制的或许那便是量子粒子将会穿过桌子到另一边,穿过屏障就像没有任何障碍物。(图源:维基同享用户MICHAELMAGGS和RICHARD BARTZ)

假如咱们生活在一个彻底古典的、非量子世界中,了解事三人行必有我师焉,【前沿物理】为什么广义相对论与量子力学无法共同?爱因斯坦也做不到,搜狗识图物将会很简单。好啦tv当咱们把物质分红越来越小的块时,咱们永久不会到达极限。世界将没有底子的、不行分割的组成部分。相反,咱们的世界将由接连的物质构成,假如咱们制作一把众宗馥莉结婚照所周知的更尖利的刀,咱们总是能够把东西切成越来越小的块。

这个愿望就像20世纪前期的恐龙相同幻灭了。普朗克、爱因斯坦、卢瑟福等人的试验标明,物质和能量不能由接连的物质构成,而是能够被分割成离散的块,即今日的量子。量子理论开始的主意有太多的试验支撑:世界底子三人行必有我师焉,【前沿物理】为什么广义相对论与量子力学无法共同?爱因斯坦也做不到,搜狗识图就不是经典的。

图解:越小的间隔标准揭穿越底子的天然法则,意味着假如咱们了解并且描绘最小的标准,咱们就能构建出最大标准上的了解办法。(图源:周边研讨所)

在20世纪的头三十年里,物理学家们在这些令人困惑的小标准上尽力开展和了解世界的实质。咱们需求新的规矩来描绘它们,需求新的、违背直觉的方程式和描绘。客观实际的概念现已过期,取而代之的是:

概率散布而不是可预见的成果,

波函数而不是方位和动量,

海森堡不确认性关系而不是单个性质。

描绘实际的粒子不能再仅仅被描绘为粒子。相反,它们既有波的元素,也有粒子的元素,它们的行为遵从一套新的规矩。

图解:一个量子层面之间的方位和动量之间的固有不确认性的阐明。一起丈量这两个量的才能是有限的,由于它们不再仅仅是物理性质,而是具有其实质固有的不行知方面的量子力学算子。海森堡的不确认性往往出现在人们最意想不到的当地。(图源:E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS用户MASCHEN)

起先,这些多吉雍直描莫斯勒述给物理学家们带来了很大的困扰。这些问题的发作并不只仅是由于哲学上的困难,比方承受一个不确认的世界,或许改动对实际的界说,尽管的确有很多人被这些方面所困扰。

相反,困难愈加严峻。狭义相对论得到了很好的了解,可是量子力学开始的开展只适用于非相对论体系。经过将方位和动量等物纳喇惠儿理量从物理性质转化为量子力学算符(一种特定的数学函数),这些奇特的实际方面能够被归入咱们的方程中。

图解:在经典力学(a)和量子力学(B-F)中,粒子在盒子里的轨道(也称为无限方井)。在(A)中,粒子以匀速运动,来回弹跳。在(B-F)中,关于相同的几许和势,给出了与时刻有关的薛定谔方程的波函数解。横轴为方位,纵轴为波函数的实部(蓝色)或虚部(赤色)。(B,C,D)是稳态(能量本征态),它来自于与时刻无关的薛定谔方程的解。(E,F)对错稳态的,薛定谔方程的解。留意,这些解在相对论改换下不是不变的;它们只在一个特定的参照系中有用。(图源:STEVE BYRNES / SBYRNES321维基同享)

可是你答应你的体系进化的办法依赖于时刻,关于不同的观察者,时刻的概念是不同的。这是量子物理学面对的第一个生计危机。

咱们说一个理论是相对不变计春华老婆刘芳毓孩子的,假如它的规律关于不同的观察者不改动:关于两个人以不同的速度或方向移动。构建量子力学的相对论不变版本是一项应战,物理学中最巨大的思想家们花了多年时刻才克服了它,并终究在20世纪20年代末由保罗•狄拉克(Paul diracon)完结。

图解:假如一个理论不是相对不变的,那么不同的参照系,包含不同的yl恩恩方位和运动,将会看到不同的物理规律(并且在实际中也会发作分歧)。咱们在“升力”或速度改换下具有对称性,这一现实告知咱们,咱们有一个守恒量:线性动量。当动量不只仅是一个与粒子有关的量,而是一个量子力学算符时,这就更难了解了。(图源:维基同享用户KREA)

他的尽力发作了现在被称踩射为狄拉克方程的成果,这个方程描绘了像电子这样的实在粒子,也解说了:

反物质,

内涵角动量,

磁矩,

物质的精细结构特性,

以及带电粒子在电场和磁场中的行为。

这是一个巨大的腾跃,狄拉克方程超卓地描绘了许多已知的最早的底子粒子,包含电子、正电子、介子,乃至(在某种程度上)质子、中子和中微子。

图解:当世界胀大和冷却时,电子和质子是自三人行必有我师焉,【前沿物理】为什么广义相对论与量子力学无法共同?爱因斯坦也做不到,搜狗识图由的,并与光子发作磕碰,然后改动为光子通明的中性世界。这儿显现的是CMB发射前的电离等离子体(L),接着是向中性世界的改动(R),对光子是通明的。电子与电子之间的散射,以及电子与光子之间的散射,能够用狄拉克方程很好地描绘,但实际上发作的光子与光子的相互作用却不是这样。(图源:阿曼达育空)

但这并不能解说全部。例如,光子不能彻底用狄拉克方程来描绘,由于它们具有过错的粒子特性。电子-电子相互作用得到了很好的描绘,可是光子-光子相互作用却没有得到很好的描绘。即便在狄拉克的相对论量子力学结构内,解说像放射性衰变这样的现象也是彻底不或许的。即便有了这一巨大的前进,故事的一个首要部分仍是缺失了。

最大的问题是量子力学,乃至相对论量子力学,都不足以描绘世界中的全部。

图解:假如你有一个点电荷和一个金属导体在邻近,这是一个在经典物理学中独自核算电场和它在空间中每一点的强度的操练。在量子力学中,咱们评论粒子对电场的反响,可是电场自身并不是量子化的。这似乎是量子力江筱非学公式中最大的缺点。(图源:麻省理工学院贝尔彻j)

想想假如你把两个电子放在一起会发作什么。假如你用经典的办法考虑,你会以为这些电子每一个都羌活胜湿汤方歌会发作电场,假如它们在运动,也会发作磁场。然后另一个电子,看到第一个电子所发作的场,当它与三人行必有我师焉,【前沿物理】为什么广义相对论与量子力学无法共同?爱因斯坦也做不到,搜狗识图外场相互作用时,会感受到一个力。这是双向的,这样就交流了一个力。

这关于电场和任何其他类型的电场都相同有用,比方引力场。电子有质量也有电荷,所以假如你把它们放在引力场中,它们会依据质量做出反响,就像电荷会迫使它们对电场做出反响相同。即便在广义相对论中,质量和能量曲线空间,曲线空间也是接连的,就像女性自其他场相同。

图解:假如物质和反物质两个物体处于停止状况湮灭,它们就会发作一种特别能量的光子。假如它们在深化到引力曲率区域后发作这些光子,能量应该会更高。这意味着必定存在某种引力红移/蓝移,这是牛顿引力无法猜测的,不然能量就不会守恒。在广义相对论中,磁场以波的方法带走能量:引力辐射。可是,在量子层面上,咱们激烈置疑,就像电磁波由量子(光子)组成相同,引力波也应该由量子(引力子)组成。这便是广义相对论不完好的原因之一。(图源:RAY SHAPP / MIKE LUCIUK;E. SIEGEL)

这类公式的问题是,当方位和动量在经典处理下时地点的场处于相同的基础上。场推进粒子到特定方位,并改动它们的动量。但在一个方位和动量不确认、需求被当作算符而不是有值的物理量来对待的世界中,咱们让咱们对场的处理坚持经典,是在诈骗自己。

图解:时空结构,图示,由质量引起的波纹和变形。新理论有必要与广义相对论彻底相同;它有必要做出新颖、共同的猜测。由于广义相对论只供给了对空间的一种经典的、非量子的描绘,咱们彻底估计它的终究继承者也将包含量子化的空间,尽管这个空间既能够是离散的,也能够是接连的。

这是量子场论的一大前进,或许与其相关的理论前进:第2次量子化。假如咱们把场自身当作量子,它也会变成量子力学算越轨女符。突然之间,世界中无法猜测(但能够观察到)的进程如下:

物质的发明和消灭,

放射性衰变,

量子隧穿发作电子对正电子对,

电子磁矩的量子批改,

都是有意义的。

图解:今日,费曼图被用于核算包含高能和低温/冷凝条件下的强、弱、电磁力在内的一切底子相互作用。这个结构与量子力学的首要不同之处在于不只粒子,并且场也是量子化的。(图源:DE CARVALHO, VANUILDO S.等。NUCL.PHYS。B875 (2013) 738 - 756)

尽管物理学家通常用粒子交流和费曼图来考虑量子场论,但这仅仅一个核算和可视化的东西,咱们企图给这个概念添加一些直观的感觉。费曼图是十分有用的,但他们是一个核算的摄动法(大约),当你选用非摄动办法核算时,量子场论通常会发作诱人的、共同的成果。

可是,对磁场进行量化的动机比那些支撑摄动或非摄动办法之间的争辩更为底子。你需求一个量子场论来成功地描绘粒子和粒子之间的相互作用或许粒子和场之间的相互作用,以及场和场之间的相互作用。郭原池跟着量子场论及其使用的进一步开展,从光子散射到强核力的全部都是能够解说的。

图解:无中微子双衰变图,假如这儿显现的中微子是它自己的反粒子,这是或许的。在量子场论中,这是一种有限概率的相互作用,在具有薄习正确量子性质的世界中是答应的,但在量子力学中不答应,在非量子化的相互作用场中。经过这个途径衰变的时刻比世界的年纪长得多。

与此一起,人们马上理解了为什么爱因斯坦的共同办法永久不会见效。在西奥多卡鲁扎作业的鼓励下,爱因斯坦痴迷于将广义相对论和电磁学共同为一个结构的主意。可是广义相对论有一个底子的局限性:它是一个经典理论的中心,它的概念是接连的、非量子化的空间和时刻。

假如你回绝量化你的场,你注定会错失世界重要的内涵特点。这是爱因斯坦在他的共同测验中丧命的缺点,也是为什么他对更底子理论的研讨办法被污谜语彻底(并且是合理的)扔掉的原因。

图解:量子引力企图将爱因斯坦的广义相对论与量子力三人行必有我师焉,【前沿物理】为什么广义相对论与量子力学无法共同?爱因斯坦也做不到,搜狗识图学结合起来。经典引力的量子批改被可视化为回路图,如图所示。空间(或时刻)自身是离散的仍是接连的还没有决议,就像重力是否被量化的问题相同,或许粒子,正如咱们今日所知道的,是否是底子的。可是假如咱们期望有一个关于万物的底子理论,它有必要包含量子化场。(图源:SLAC国家加速器试验室)

世界现已一次又一次地证明了它在实质上是量子的。从晶体管到LED显现屏,再到导致黑洞衰变的三人行必有我师焉,【前沿物理】为什么广义相对论与量子力学无法共同?爱因斯坦也做不到,搜狗识图霍金辐射,这些量子特性在各种使用中都有表现。量子力学自身存在底子性缺点的原因,并不是由于新规矩带来的古怪,而是由于它走得不行远。粒子的确具有量子特性,但它们也经过自身便是量子的场相互作用,一切这些都以相对不变的办法存在。

或许咱们将真实完成一个万732357物理论,其间每一个粒子和相互作用都是相对论性的和量子化的。但这种量子的奇特性肯定是它的各个方面的一部分,乃至是咱们没有成功量化的部分。用霍尔丹永存的话来说,“我自己的置疑是,世界不只比咱们幻想的更古怪,并且比咱们能幻想的更古怪。”

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