廣義相對論和量子力學的矛盾究竟在哪?量子引力可以從哪裡突破?

史瓦西半徑是根據廣義相對論的史瓦西解得到的一個半徑公式,用於計算光速不能逃逸的臨界半徑,科學家稱這個臨界半徑包裹的球形區域為黑洞。


廣義相對論和量子力學的矛盾究竟在哪?量子引力可以從哪裡突破?

黑洞

根據廣義相對論,當大重量恆星結束核聚變,中心會坍縮到史瓦西半徑以內而形成黑洞,根據英國物理學家彭羅斯和霍金證明的奇性定理,黑洞中心會產生一個體積無限小,密度無限大的奇點,在奇點處時空終結,物理規律失效,這是一個預言中的奇異點,實際存不存在無從驗證,因為它永遠被黑洞視界包裹著,黑洞視界阻止了外界獲取內部的任何信息。

在空間尺度上,黑洞一般屬於宏觀“物體”,經過恆星坍縮自然形成的黑洞半徑應在10km以上,所以屬於宏觀;而中心的奇點體積無限小,則屬於微觀。然而通過恆星坍縮自然形成的奇點的質量很大,一般在三個太陽質量以上,所以實際上它的不確定性很小,也就是說奇點雖然屬於微觀,但似乎又不存在不確定性,因為它的位置和動量都非常容易確定,雖然它實際上是無法測量的,但是我們仍然可以通過測量黑洞來對其進行間接測量:根據黑洞的視界能確定黑洞的質量,而根據黑洞的質量能確定奇點的質量,又根據其移動速度確定其動量;通過視界能確定黑洞的邊界,而奇點就位於黑洞的中心點上。因此,奇點的位置和動量都同時確定了,不確定性原理在奇點上不成立!


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奇點的位置和動量可以根據黑洞測量

這就很尷尬了,它從尺度上判斷,明明屬於微觀,但卻又不具有微觀粒子所應該具有的不確定性……

那究竟奇點是屬於微觀還是屬於宏觀呢?在尺度上它屬於微觀,然而它卻讓不確定性失效了……因此如果按照量子力學,奇點是不可能存在的,也就是量子力學不允許奇點存在,就像不允許絕對零度存在一樣。然而按照廣義相對論,奇點必然存在!那我們究竟信誰的???


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奇點

​可以說,在目前的物理理論裡,沒有比奇點問題上所產生的更大的衝突了,這是廣義相對論和量子力學矛盾的重災區,目前看來這種矛盾是不可調和的,因此科學家正期待一種能統一廣義相對論和量子力學的理論誕生,名字都給它想好了,就叫——量子引力理論。這一理論將能預言微觀尺度下的引力效應,能預言奇點處的物理現象,如果這一理論能誕生,理論物理學家將能揭示宇宙大爆炸“前”奇點的物理機制,可以全面解開宇宙大爆炸的未解之謎。

目前,進行理論嘗試的量子引力候選理論有很多,比如比如比較著名的有圈量子理論、超引力理論、M理論等。這些候選理論除了理論自身的困難外,最大的困難在於理論預言和實驗驗證上,由於廣義相對論和量子力學只有在超高能量狀態下才有可能取得統一,因此驗證這些理論都不可避免的需要超高的能態,這似乎在目前人類科技下是無法完成的任務。

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驗證量子引力理論需要超高能量的強子對撞機


量子引力理論前路漫漫,期待科學界出現下一個愛因斯坦能取得理論突破!




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