現代物理學最大的矛盾,曾經愛因斯坦用盡一生也沒有解開謎題

漫酱~ 2022/12/27 檢舉 我要評論

人類文明從誕生到現在也就短短幾千年的時間,在這短短幾千年的時間內,人類能夠走出地球探索宇宙,這說明人類科技進步的速度是非常快的,人類之所以能夠有這麼快的科學成就和現在的物理學有很大的關系,在人類科技發展的道路上,一共出現了很多偉大的物理學家,比如說伽利略、哥白尼、牛頓、愛因斯坦、薛定諤等等,這些偉大的物理學家給人類發展起到了重大的作用,在物理學上,相對論和量子力學是現代物理學兩個基石,它們分別統治著微觀世界和巨觀世界,但是如果將這兩個物理學結合在一起,你就會發現它們根本不能夠融合在一起,就像是兩個不同的世界一樣,分別起到了不同的作用。

相對論是由愛因斯坦創立的,它是關于時空和引力的理論,主要研究對象的不可分為狹義相對論和廣義相對論,而量子力學是在19世紀創立的,當時人類還沒有辦法用經典理論來解釋微觀世界,于是科學家們經過努力創辦了量子力學,量子力學是由普朗克、玻爾、海森堡、薛定諤、泡利、德布羅意、玻恩、費米、狄拉克、愛因斯坦等眾多科學家一起創立的,這兩個理論都是現在人類物理學上的頂尖理論,按理來說,巨觀世界和微觀世界都是由我們的宇宙產生的,既然出自同一個宇宙,那麼為什麼這兩個世界不能夠用同樣的理論來解釋呢?而且讓科學家感到最為疑惑的是,不管科學家如何努力,都沒有辦法將相對論和量子力學融合在一起,這到底是怎麼回事?

在愛因斯坦的俠義相對論中,不僅僅運動是相對的,就連時空和空間也是相對的,愛因斯坦認為物體的運動大部分是在時間,而不是空間中度過,但是在我們的普遍認知當中,我們都是在空間中度過的,后來愛因斯坦將時間和空間概念統一在了一起,俠義相對論中比較著名的理論就是任何物體都在做相對運動,比如說我們站在原地,當一輛汽車從我們身邊經過時,我們看到汽車是向前運動的,但是汽車里面的人看到我們在向后移動,本質上我們并沒有發生移動,但是對于汽車里面的人來說,我們在做相對運動,按照愛因斯坦的理論來看,在宇宙中根本不存在完全靜止的物質,只有相對靜止,因為所有的物體都在做相對運動。

在俠義相對論中,還有一個著名的公式就是質能守恒定律,愛因斯坦認為質量和能量之間是能夠相互轉化的,比如說煤炭燃燒以后會產生能量,而煤炭本身就是在燃燒自己的質量,將質量轉化為能量,而同樣多的能量也能夠轉化為質量,只是目前人類還沒有辦法做到,在俠義相對論中,我們能夠知道,運動是相對的,時間和空間也是相對的,而廣義相對論解釋了時間、空間和光的性質,它告訴我們所有物體運動的速度極限就是光速,光速大約是每秒30萬公里,任何有質量的物體都沒有辦法超越光速也不可能達到光速,因為如果當一個物體的運動速度達到光速,那麼它的質量就會變得無限大,在現有的物理學上面,根本不存在無限大的物質。

廣義相對論是描述物質間引力相互作用的理論,它是首次將引力場解釋為時空彎曲的理論,在廣義相對論中,時空彎曲是核心,愛因斯坦認為任何有質量的物體都會對周圍的時空造成彎曲,同時任何物體都會沿著最短的路線去運動,廣義相對論認為引力是不存在的,引力只是時空彎曲的表象而已,牛頓認為,質量小的天體之所以會圍繞質量大的天體運動,是因為質量大的天體引力要比質量小的天體強,所以質量大的天體能夠將質量小的天體吸引過來,所以質量小的天體才會圍繞質量大的天體運動。而愛因斯坦認為引力其實是不存在的,質量小的天體之所以會圍繞質量的大的天體運動,是因為質量大的天體將宇宙薄膜壓彎了,所以質量小的天體才會圍繞質量大的天體轉動。

最終愛因斯坦的廣義相對論戰勝了牛頓的萬有引力定律,雖然到現在為止,科學家們還在研究萬有引力和相對論,但是從目前的結論來看,相對論更有說服力一些,不過相對論也不是萬能的,在巨觀世界中,相對論起到了很大的作用,但是在微觀世界中,相對論就不靈了,這時候就必須用另一套法則來解釋,這套法則就是量子力學,可能很多朋友看到這里會產生一個疑問,就是巨觀世界和微觀世界有什麼區別,簡單來說巨觀世界就是我們能夠用肉眼看到的世界,而微觀世界就是我們無法用肉眼看到的世界,雖然在理論上是兩個世界,但是它們都是由一個世界組成的。

而微觀世界中,有很多神奇的地方,這讓很多科學家都無法理解,在量子世界中,沒有空間和時間扭曲,也沒有任何方向,而且連時間都不存在,量子力學告訴我們一切都是有可能的,而且一切都存在不確定性,在量子力學中有很多經典的實驗,比如說薛定諤的貓,薛定諤的貓大概意思是將一只貓放在一個封閉的箱子內,然后往這個箱子內放入一些毒氣,過一段時間我們卻判斷這只貓是不是還活著,如果說我們打開箱子直接看這只貓,那麼這只貓的結局就注定了,它要麼死亡、要麼活著,但是如果我們不去打開箱子,那麼貓的生死就有兩種可能性。它也許活著,也許死了,這個實驗告訴我們,觀測者能夠改變事物的最終結果,也就是說結果其實是由觀測者改變的。

除了這個實驗之外,還有雙縫干涉實驗,這個實驗被稱為是20世紀科學家們集體遭遇的一次靈異事件,因為這個實驗,科學家對世界是否真實充滿懷疑,而雙縫干涉實驗主要的研究對象就是光子,這個實驗其實也很簡單,就是利用光源朝著擋板進行射擊,然后看光子穿過擋板之后在墻上留下的形狀,如果說墻上出現的是兩道杠,那麼就說明光子是粒子,如果光在經過擋板的時候,有一部分光子被擋住,那麼墻上就會留下兩道杠,如果光是一種波,那麼墻上就會留下斑馬線。第一次實驗之后,科學家發現墻上出現了明暗相間的干涉條紋,這個結果表示光其實是一種波,不過一次實驗并不能夠證明最終的結果。

后來科學家們進行了第二次實驗,第二次實驗和第一次實驗不同的地方在于,科學家在狹縫的后面加上了電子探測器,因為這樣能夠準確的看到光子是從那個孔穿過去的,科學家在實驗過程中看到,光子要麼從左邊穿過去,要麼從右邊穿過去,這個結論證明光其實也是一種粒子,當時著名的物理學家愛因斯坦認為光是一種波,而牛頓認為光是一種粒子,現在看來,其實這兩位科學家都沒有錯,光確實有兩種不同的性質,光具有波粒二象性,這個實驗告訴我們,光到底是什麼物質,取決于觀測者,而這個實驗最詭異的地方也在這里,好像光子有靈性一樣,它能夠知道我們有沒有在觀測它。

當這個實驗沒有觀測者的時候,粒子就處于疊加狀態,這個疊加狀態通過雙縫的時候,有一半會通過A縫隙,另一半會通過B縫隙,在沒有觀測者的時候,粒子就處于疊加狀態,所以我們能夠看到粒子形態,但是當我們去觀測它的時候,能夠看到它從A或者B縫隙穿過,這時候粒子的路徑被鎖定了,所以干涉條紋就消失了,這個時候光就是波,光是一種非常神奇的物質,它能夠有兩種特性,這讓科學家意想不到,而且根據愛因斯坦的理論我們能夠知道,光子是唯一能夠到達光速的物質,其它任何物質都沒有辦法達到光速,目前科學家也在積極的研究光子的奧秘。

在量子力學中,除了這兩個經典的實驗之外,還有一個更加詭異的實驗,那就是量子糾纏,量子糾纏指的是兩個配對好的粒子,無論它們之間相隔多遠,只要我們影響其中一個粒子,那麼另一個粒子就會受到影響,而這個影響的速度既然是瞬間的,也就是說,如果我們把一個粒子放在宇宙的最南邊,另一個粒子放在宇宙的最北邊,只要我們影響宇宙最南邊的粒子,那麼宇宙最北邊的粒子也會受到影響,而這個影響的速度是瞬間完成的,量子糾纏理論打破了愛因斯坦光速不可超越的理論,它更像是一種心理感應,為了證明量子糾纏理論是對的。科學家們還專門做了實驗,科學家將兩個配對好耳朵粒子分別放在相隔100多公里的地方,然后將配對好的第三個光子放在其中一個粒子中。

科學家最終發現,相隔100多公里的另一個粒子也出現了同樣的光子,這說明量子糾纏理論是對的,但是這個現象是如何進行的?到現在科學家也沒有辦法很好的解釋,其實當年愛因斯坦就試圖將相對論和量子力學進行統一,只不過到愛因斯坦生命結束的那一刻,都沒有辦法將這兩個理論統一,看到質量,可能有人會說,是不是這兩個理論有一個理論是錯誤的,從目前來看,這兩個理論都是正確的,因為這兩個理論都被我們所利用,比日說我們平時使用的電子產品、芯片等等,這些都是利用量子力學創造出來的,量子力學和相對論最大的矛盾體現在廣義相對論上。

根據科學家的研究我們能夠知道,在我們的世界中有四種基本的作用力,分別是強相互作用力,弱相互作用力,電磁作用力,引力,前三種力都屬于量子力學的部分,但是引力卻屬于相對論的部分,如果用相對論來解釋前三種力,那麼根本沒有辦法解釋清楚,但是如果用量子力學來解釋前三種力,那麼就能夠解釋清楚,而用量子力學來解釋引力,那麼也解釋不清楚,簡單來說就是量子力學和相對論都能夠解釋一部分,而它們都無法將這四種力用一種理論來解釋清楚,這是科學家一直都想不通的。按理來說,既然量子力學和相對論都是建立在一個世界上,那麼為什麼它們不能夠統一解釋這個世界呢?

不少科學家認為,出現這個原因的結論只有一個,那就是這兩個理論都存在漏洞,既然兩個理論都存在漏洞,那麼如果將這兩個理論結合在一起,是不是就完美了?曾經很多科學家也試圖將這兩個理論融合在一起,但是到現在為止,科學家也無法做到,于是科學家們提出了超弦理論,超弦理論的出現就是為了能夠將相對論和量子力學無法解釋的問題解釋清楚,超弦理論理論認為組成我們世界的物質包括原子、電子、夸克等等,而這些物質都是由基本單位弦的振動所產生的,弦振動的不同方式會形成不同的粒子,如果說弦以A方式去振動,那麼就會出現頂夸克,如果弦以B方式去振動,那麼就會出現底夸克,以C的方式振動就會出現光子。

科學家認為,弦產生了微觀世界的粒子,而微觀世界的粒子又構成了世界,并且弦的振動是一種能量到實體物質的轉化,我們沒有辦法捕捉到它,它就像是能量一樣,只能夠感覺,這就類似于暗物質,科學家認為在宇宙中存在一種神秘的物質,這種物質我們看不見也摸不著,而這種神秘的物質就被稱為是暗物質,為了尋找暗物質,科學家們也做了很多努力,但是這麼多年過去了,科學家并沒有在宇宙中找到暗物質,這說明暗物質比我們想象的還要神秘,雖然我們誰都沒有見過暗物質,但是它卻存在宇宙中,而弦就是這樣一種物質,在超弦理論還沒有出現之前,人類對維度空間的認知只有四維維度。

分別是一維空間到四維空間,一維是點,二維是面,三維是我們的立體空間,四維空間是在三維空間的基礎上加上一個時間維度,但是超弦理論出現后,人類的認知從四維空間變成了十一維空間,為了能夠解釋四種基本作用力,科學家將維度提高到了11維度空間,才解釋了這四種力,這個理論假定宇宙中所有的粒子都處于四維空間的膜宇宙中,而這個膜宇宙又是一個更加高維度的空間,超弦理論其實是否定了物理學的基本粒子,它認為基本粒子是不存在的,所有的粒子都是由弦的振動組成的,不過超弦理論理論并沒有被科學家證實。它并不像量子力學和相對論那樣,能夠被科學家用實驗來證明,而且可能還能夠通過量子力學和相對論做出適合人類利用的東西來。

超弦理論的出現就是為了統一四大基本作用力,這個理論引入了太多我們無法證實的東西,比如說11維度空間,目前人類連四維空間都無法解釋清楚,更不用說11維度空間了,按理來說,越是高一維度的空間,組成它的環境就更加復雜,現在我們根本沒有辦法想象11維度空間到底是什麼樣子的,或許神就存在于11維度空間中,超弦理論到現在為止,也是一種存在于理想狀態的理論,它并不能夠被真正的看作為一種正確的理論,因為任何理論都必須用實驗去證明,只有能夠經得起考驗的理論才能夠被稱為是 真理。目前來說,超弦理論還處于設想的階段,未來隨著人類科技的進步,說不定人類能夠證明超弦理論理論是對的。

在現在人類的物理學上,相對論和量子力學依然存在矛盾,這兩個理論如果不能夠被科學家融合在一起,那麼就說明在我們的物理學上還存在一定的漏洞,超弦理論只能夠作為自我安慰的一種理論,想要真正的將相對論和量子力學融合在一起,還需要出現一位偉大的科學家才行,如果人類能夠將量子力學和相對論完美的融合在一起,那麼人類離解開宇宙誕生的秘密也就不遠了。

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