前言：中文期刊網精心挑選了量子力學和廣義相對論范文供你參考和學習，希望我們的參考范文能激發你的文章創作靈感，歡迎閱讀。

量子力學和廣義相對論范文1

關鍵詞：物理本體；物理實體；量子現象；主觀；客觀

基金項目：國家社會科學基金項目“量子概率的哲學研究”（16BZX022）

中圖分類號：N03 文獻標識碼：A 文章編號：1003-854X（2017）06-0054-06

一、引言

時間和空間是人類所有經驗的背景。除去存在的事物，時間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時間、空間，時空是事物之間相互關系的一個方面。

人類通過感性經驗認知的時空，稱作經驗時空；以科學原理和科學方法指導認知的時空是科學時空；牛頓時空、狹義相對論時空、廣義相對論時空、量子力學時空，是經驗時空的科學提升和科學發展，稱作物理時空①。物理時空是科學時空。描述現象實體的時空是現象時空，經驗時空、物理時空、科學時空均是現象時空。而未經觀察的“自在實體（物理本體）”所在時空，稱為“本體時空”。“本體時空”是復數的②，因此，人類實質生活在復數時空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時空”，實時空是人類對時空認識的簡化③。

主體、客體、觀察信號是人類認知自然的三大基本要素④。一般“現象對觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現觀察信號的自然屬性對觀察者在認知中的影響。當把現象對觀察者的主觀依賴性轉化為時空的屬性后，就可以達到客觀描述物質世界⑤。所謂客觀描述就是理論計算與經驗及科學實驗結果相符。

考慮觀察信號的客觀作用并納入時空理論的科學建構之中，客觀描述物理現象，是物理學家的重要工作。一般，哲學認知中沒有明晰“觀察信號中介作用”的客觀地位，不管“機械反映論”，還是“能動反映論”，都自動將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導致主觀唯心主義的滋生。

狹義相對論用光對時，考慮了光對建立時空的貢獻；牛頓時空是對時信號速度c趨于無窮大的極限情態；考慮引力場對建立時空的影響，引力時空是彎曲的，狹義相對論的平直時空是它的局域特例。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但主體與描述對象的關系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認知對象完全沒有主觀影響？如果有，它如何產生，又如何消解，實現客觀描述物質世界？經典力學中，人類的處理方法是通過揭示“現象對觀察者的主觀依賴性”及其產生機理，在不同認知領域區分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉化成時空的屬性，實現客觀描述；而從牛頓力學（或相對論力學）到量子力學，時空沒有變化，描述對象具有波粒二象性，“量子現象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現量子現象的客觀描述，一直是量子力學基礎討論的熱點。量子力學必須有自己的客觀描述量子現象的時空⑥。

量子力學時空是閔氏時空的復數拓展和推廣⑦，由此可以實現客觀描述量子世界。它與相對論時空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時間與因果關系等價⑧。量子力學中的非定域性，與能量、動量量子化及量子態的突變性相關聯。突變無須時間，導致因果鏈斷裂，與因果關聯的相互作用也被刪除，由此引進了類空間隔。平行并存量子態的出現，是不遵從因果律的量子力學新表現；當能量、動量和相互作用變得連續，宏觀時序得到恢復時，回到相對論時空，量子測量中“量子態和時空的坍縮”⑨ 是不同物理時空的轉換，希爾伯特空間只是它們的共同數學應用空間⑩。

時空不是絕對的，相對時空有更廣闊的含義，人類需要擴大對時空概念的認知，不同的認知層次有不同的時空對應，復數時空更為本質。人們不應該將所有領域的物理實體歸于某一時空描述，或者用一種時空的性質去否定另一種時空的存在。還是愛因斯坦說得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當然，新的實驗事實又將告訴人們，理論及其對應的時空應該如何修改和發展。理論不同時空不同，時空具有建構特征。

二、時空的哲學認知與物理學描述

時空是哲學的基本概念，也是物理學的基本概念。哲學認為，時間和空間是物質的存在形式，既不存在沒有時空的物質，也不存在沒有物質的時空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時間是事物的持續性；康德認為，時空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時間和空間是彼此分離，絕對不變的，強調數學的時間自我均勻流逝；萊布尼茨說，空間是現象的共存序列，時間與運動相聯系；黑格爾認為，事物運動的本質是空間和時間的直接統一。休謨認為，時、空上的接近和先后關系與因果性直接相關。中國的“宇”和“宙”就是空間和時間概念，它是把三維空間和一維時間概念同宇宙密切聯系在一起的最早應用{11}。

哲學具有啟示作用，但時空概念如果不與人的社會實踐、科學實驗、科學理論及其數學物理方法相聯系，就只能停留在形而上，無法上升為科學理論概念。

物理學中，空間從測量和描述物體及其運動的位置、形狀、方向中抽象出來；時間則從描述物體運動的持續性、周期性，以及事件發生的順序、因果性中抽象出來；空間和時間的性質，主要從物體運動及其相互作用的各種關系和度量中表現出來。描述物體的運動，先選定參照物，并在參照物上建立一個坐標系，一般參照物被抽象成點，它就是坐標系的原點；假定被描述物體的形體結構對討論的問題（或對參照物的時空）沒有影響，將物體抽象成質點，討論質點在坐標系中的運動及其相關規律，這就是物理學。由此，“時空是物質的存在形式”的哲學認知也就轉化為人類可操作的具體物理理論描述。

可見，時空的認知與人類的社會實踐、科學實驗、科學進步直接相關，離不開物理和數學方法的應用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學所依托的幾何學，在牛頓力學、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應用。由此，幾何學被賦予了物理意義。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但描述對象與觀察者之間的關系沒有變，描述是客觀的，并且描述對象都可抽象成經典的粒子，采用質點模型。量子力學不同，從牛頓力學（相對論力學）到量子力學，描述量子現象的時空沒有變化{12}，物理模型沒有變，但量子現象對觀察者有明顯的主觀依賴性，難以客觀描述微觀量子現象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時也改變物理時空，消除“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現客觀描述微觀量子客體；二是改變時空的同時，保留“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，將本體、認識、時空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關系。雙4維時空量子力學基礎采用了第一種方法。通過場物質球模型，把點模型隱藏的空間自由度釋放出來；在改變物理模型的同時，也改變了描述時空；將不是點的微觀客體自身的空間分布特性，轉化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認為，第二種方法將主觀認識不加區分地“融入時空”，有損客觀性、科W性，量子力學時空必須是描述客觀世界的時空。物理時空需要建構。

三、牛頓絕對時空中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

眾所周知，物理學對物體運動狀態的描述，理應包含參照物和被描述物體自身的時空特征，而參照物和物體自身的時空特征，必須通過觀察發現。觀察需要觀測信號，物體運動狀態及其時空特征必然帶有觀測信號的烙印{13}。

“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實體”{14}。參照物與研究對象都有自己對應的物理時空，牛頓力學時空應該是兩者的綜合，而不應該只是參照物的時空。但是，牛頓力學中光速無窮大，在討論物體運動時，又假設研究對象的時空結構對討論的問題沒有影響，忽略不計，于是，研究對象抽象成了質點，整個理論體系就只有與參照物聯系的時空了。

任何具體物體都不會是質點。當用信號去觀察它時，物體自身的時空特征與物體的運動狀態與觀察信號的性質、強弱和傳播速度相關。質點模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運動及觀察信號對物體自身時空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標系的抽象中，抽掉運動及觀察信號對參照物時空特性的影響，就是抽掉物體運動及觀察信號對坐標系時空特性的影響，就是抽掉人的參與對時空認知的影響{15}。牛頓力學時空與物體運動及觀察者無關，絕對不變，基于絕對不動的以太之上。所以，牛頓可以把時間和空間從物質運動中分離出來，時間和空間也彼此分割，空間絕對不變，數學的、永遠流逝的時間絕對不變{16}。哲學的時空演變成了可操作的物理時空。這是宏觀低速運動對時空的簡化與抽象，理論與宏觀經驗及計算相符。

相互作用實在論認為，現實世界是人參與的世界，對一個研究對象的觀察，離不開主體、客體、觀察信號三個基本要素。參照物和觀察對象的運動和變化及其時空屬性，與觀察信號的性質相關。牛頓力學中，不是沒有現象對觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認為影響很小，可以忽略不計。牛頓力學是“物理本體=物理實體”的力學{17}。這與宏觀經驗和科學實驗相符，在宏觀低速運動層次實現了主客二分，理論被看作是對客觀實在的描述。牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建描述背景，時空告訴物質如何在背景中運動。二者構成背景相關。

牛頓時空是均勻平直時空，相對勻速運動坐標系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協變性，相對性原理成立。

四、狹義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

狹義相對論建立之前，洛倫茲就認為高速運動中物體長度在運動方向發生收縮{18}。這是他站在牛頓時空立場，承認以太及絕對坐標系的存在對洛倫茲變換所作的解釋。描述時空沒有變，“現象對觀察者出現了主觀依賴性”。自然現象失去了客觀性，這是一次認識危機，屬19世紀末20世紀初兩朵烏云之一。

狹義相對論不同，它考慮宏觀高速運動中觀察信號對物體時空特征的影響。愛因斯坦在“火車對時”實驗中，他用“光”作為觀察、記錄、認知物體時空特征的信號{19}；通過參照物到坐標系的抽象，論證靜、動坐標系K與K′“同時性”不同，靜、動坐標系運動方向時空測量單位發生了變化；將洛倫茲所稱“運動物體自身運動方向上的長度收縮”演變成坐標系時空框架的屬性，還原質點模型，建立相對論力學。實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。

狹義相對論中質點的動量、能量、位置和時間都有確定值，質點的運動具有確定的軌跡，這一點與牛頓力學相同。

狹義相對論時空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實在性。

牛頓力學缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，物理本體=物理實體，哲學上的抽象時空直接過渡到牛頓物理時空。

狹義相對論不一樣，每一個物體都有一個不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對應的物理實體。“物理本體”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對應物）。它可以認知、可以理論建構，但又不可直接觀察。相對于牛頓，愛因斯坦相對論揭示了“物理本體”的真實存在性。“客觀物質世界”不是思維的產物。

狹義相對論中，物質告訴時空在運動方向如何修正測量單位，時空告訴物質如何長度收縮、時間減緩。時空具有相對性。

狹義相對論時空雖然也是均勻平直時空，但由于有上述“相對時空”的出現，時空度規與歐氏時空度規有明顯區別，所以稱為贗歐氏時空。

但狹義相對論仍然是只考慮光及光速的有限性對建立時空的影響，沒有考慮引力作用對建立時空的影響。如果考慮引力對時空的影響又如何呢？

五、廣義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

廣義相對論中有水星近日點進動問題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時空的立場，觀察結果與理論計算不符。這不是儀器的精度不夠，也不是操作失誤，而是理論本身的問題。因為，牛頓力學也好，狹義相對論也好，討論引力問題，引力場對參照物和研究對象時空屬性的影響都沒有計入其中，而留在觀察者對“現象”的觀察、判斷之中，出現宇觀大尺度“現象對觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場使時空發生彎曲，利用彎曲時空計算水星近日點進動和光走曲線現象，“現象對觀察者的主觀依賴性”就變成時空的屬性。“現象對觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現象與理論結果就取得了一致。這里，物質使時空彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動。廣義相對論實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。

廣義相對論時空是彎曲的，時空度規是變化的。

六、量子力學中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

微觀客體具有波粒二象性，同一個電子，通過雙縫表現為波，而打在屏幕上又表現為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更為突出。經典力學中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學與經典力學表現出深刻的矛盾。矛盾的產生，可能是描述微觀現象的時空出了問題。量子力學的研究領域是微觀世界，研究對象是微觀客體，不是經典的粒子，用以觀察的信號也不是連續的光，而是量子化了的光，通過光信號建立的時空應該與牛頓、相對論時空有所區別。而量子力學使用的還是牛頓時空、狹義相對論時空，時空沒有變，物理模型沒有變，而研究領域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學必須有自己對應的時空，將“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，轉化為描述時空的屬性，實現客觀描述量子現象！ 雙4維時空量子力學就是為實現這一目標應運而生的。

現有量子力學“量子現象對觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學中的點模型相關。許多量子現象與點模型隱藏的空間自由度有直接聯系，但點模型忽略了這些自由度對產生微觀量子現象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時空，才可能正確地認識、客觀描述量子現象。

可以公認，微觀客體不是點{20}，是一個有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點的空間位置，這是客觀事實。理論上，牛頓時空幾何點位置是確定的，量子力學使用的是質點模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時空可以精確描述質點的運動。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉而認為點粒子在其“空間分布”區域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實在性在量子世界轉化成了一種主觀認知，賦予了微觀客體“內稟”的概率屬性，其運動產生概率分布，或稱其為概率波。

這是一個認識上的困惑，似乎量子力學描述失去了客觀實在性。這也是量子力學當今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點模型，釋放點模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對產生微觀現象的貢獻”；（二）建立適合量子力學自身的時空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現象對觀察者的主觀依賴性”變成量子力學時空自身的屬性。

雙4維時空量子力學的辦法是：（一）用“轉動場物質球”模型取代“質點”模型，釋放點模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實時空M4（x）拓展到雙4維復時空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復時空的虛部坐標；（三）4維曲率坐標將量子力學賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學復時空的幾何屬性，場物質球自身的旋轉與運動產生物質波――物理波。

“場物質球”與“物質波”（類似對偶性假設）既是同一物理實在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動性的統一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動性。場物質球的物質密度是曲率k的函數，因此，物質波既是場物質球的結構波又是場物質密度波。物質波不是傳播能量，而是傳播場物質球的結構或物質密度變化，可映射成實時空M4（x）的概率分布{21}，與實驗結果相一致。

這樣，點模型中“量子現象對觀察者的主觀依賴性”通過“釋放的自由度”轉變為時空W（x，k）的屬性，物質波傳播其中，量子現象是物質波所為。

研究表明，是量子測量引入的連續作用，使雙4維時空W（x，k）全域轉換到實時空M4（x），波動形態轉變成粒子形態（“相變”），球模型轉換成點模型，概率屬性內在其中，物質波自動映射成概率波，數學處理類似表象變換{22}。

簡言之，傳統量子力學，微觀客體簡化成質點，描述時空不變，人的主觀意識介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點粒子的概率屬性，實現描述對象從客觀到主觀認知的轉變，具有位置不確定性的點粒子，其運動產生概率波；雙4維時空量子力學，微觀客體簡化成場物質球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標，仍然是從客觀到客觀，描述時空變成了復時空，曲率坐標在其虛部，場物質球的運動產生物質波――物理波。通過量子測量，物質波映射成概率波，球模型演變成點模型，顯示概率屬性，時空內在自動轉換，量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在建構的時空理論中。具體論證方法是：

將靜態場物質球寫成自旋波動形式：Ψ0=е■，描述在復空間。ω0是常數，它的變化只與自身坐標系時間t0相關，全空間分布（物理本體所在空間）。設建在“靜態”場物質球上的坐標系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：

微觀客體的運動速度不同，平面波相位不同。復相空間kμxμ即為物質波所在時空。物質波是物理波。

自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標系的速度，慣性系間的坐標變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因為，連續變化會引進引力場破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學中的不同本征態。這是相對論中的情形{24}。

但是，量子力學建立其理論體系時，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態，每一本征態則對應一慣性系），通過本征態突變躍遷假設（量子分割），切斷因果聯系，形成同一時空中“同時”并存的本征態的疊加。態的躍遷不需要時間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學時空，破壞了原有的因果關系。疊加量子態的存在，是“違背”因果律在量子力學中的新表現。

量子力學時空顯然不是牛頓、狹義相對論時空，但量子力學卻誤認為量子躍遷引起的時空性質的變化是牛頓、狹義相對論時空中的特征，這當然會帶來不可調和的認知矛盾。

同一微觀客體，不同本征態“同時”并存的物理狀態，從整體看，是洛倫茲協變性在量子力學中的新表現。突變區“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運動在類光空間；而本征態自身在類時空間，微觀客體運動速度不能超過光速，需保持因果律，物質波討論的就是這一部分，就像相對論討論類時空間物理一樣。量子糾纏態將涉及到上述三種不同性質物理空間量子態的轉換，有完全合理的物理機制，不需要思維的特殊作用。不過，相對論長度收縮效應，將以物質波波長在運動方向上的收縮來體現。有了雙4維時空量子力學，量子力學與相對論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。

相對論與量子力學的不同，關鍵在于認知層次發生了變化，光由連續場演變成了量子場。而我們用來觀察世界的光信號直接與時空相關，光的物理性質的變化，必然帶來物理空間性質的變化，帶來物理模型的變化，帶來量子力學時空W（x，k）與相對論時空M4（x）之間的區別，帶來對物質波――物理波的全新認知。我們預言，物質波有通訊應用價值{25}，但與量子力學非定域性無關。

《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》的理論實踐表明，我們的工作是可取的{26}。結論是，量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在對應的時空理論之中，實現了觀察者對量子現象的客觀描述。

雙4維時空是描述量子現象的物理時空，時空度規，無論實數部分，還是虛數部分，都是平直的{27}。

近年來，由于量子通訊技術的飛速發展，量子糾纏的物理基礎引起了人們的特別關注，波函數的物理本質，量子力學的非定域性討論十分熱烈。“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現象的奇異性迷惑了，特別是，有科學家甚至認為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學實在論者當然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。

按照曹天予的評論，《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》值得關注{28}。雙4維復時空與弦論、圈論比較，最大優點是將時空拓展、推廣到了復數空間，數學沒有那么復雜，而物理學基礎卻更加堅實、清晰。

七、結論與討論

1.“現象對觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關系之中，融入時空的只能是物理實體對時空有影響的部分，時空具有建構特征。

2. 物質運動與時空的關系：牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建運動背景，時空告訴物質如何在背景上運動；狹義相對論中，物質告訴時空如何修正測量單位，時空告訴物質如何在運動方向長度收縮、時間減緩；廣義相對論中，物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動；量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。

3. 量子力學時空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對論時空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學與廣義相對論的統一，不能機械地湊合，它們的統一，必須從改變時空的性質做起，建立相應的運動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯絡通道。

注釋：

① 趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5頁；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.

② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.

③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁。

⑤ 主觀與客觀：“客觀”，觀察者外在于被觀察事物；“主觀”，觀察者參與到被觀察事物當中。 辯證唯物主義認為主觀和客觀是對立的統一，客觀不依賴于主觀而獨立存在，主觀能動地反映客觀。

⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上海科學技術出版社2003年版，第29―33頁。

⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第178頁。

{11} 馮契：《哲學大辭典》，上海辭書出版社2001年版，第1579―1582頁。

{12} 參見L?斯莫林：《物理學的困惑》，李泳譯，湖南科學技術出版社2008年版。

{14} 相互作用實在論中的基本概念：（1）物質：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，電磁、強、弱等力。（3）自在實體：指未經觀察的“自然客體”（相互作用實在論中，自在實體作為物理研究對象時稱物理本體）。（4）現象實體：經過觀察，系統的、穩定的、深刻反映事物本質的理性認知物。現象則表現自在實體非本質的一面。（相互作用實在論中，現象實體作為物理研究對象時稱物理實體）。（5）觀測信號：人類認知世界使用的探測信號。

{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學之數學原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。

{18} 參見倪光炯等：《近代物理學》，上海科學技術出版社1980年版。

{19} 參見A?愛因斯坦：《相對論的意義》，科學出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學的進化》，周肇威譯，上海科學技術出版社1964年版。

{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學哲學論文集》，安度譯，知識出版社2001年版，第140頁。

{23} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第149頁。

{26} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學描述》，

《現代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學學報》（社會科學版）2013年第1期。

{28} 曹天予：《當代科學哲學中的庫恩挑戰》，《中國社會科學報》2016年5月31日。

量子力學和廣義相對論范文2

與別的天體相比，黑洞十分特殊。它的質量極其巨大，而體積卻十分微小。它可以產生巨大的引力，任何物質一旦進入到它的引力臨界點（即黑洞的邊界，也叫黑洞視界），便再無法逃脫，就連傳播速度最快的光也逃逸不出。因此，人們無法直接觀察到黑洞，科學家也只能對其內部結構提出各種理論猜想。

科學家們認為，黑洞把自己隱藏起來的“武器”是時空彎曲。根據廣義相對論，時空會在引力場作用下發生彎曲。這時候，光雖然仍然沿著任意兩點間的最短光程傳播，但相對而言，它已經彎曲。在經過大密度的天體時，時空會彎曲，光也就偏離了原來的方向。由于黑洞的存在，被它擋著的恒星發出的光，有一部分會落入黑洞中而消失，但另一部分光線則會通過彎曲的時空，繞過黑洞而到達地球。

1974年，霍金考查了黑洞附近的量子效應，發現黑洞會像天體一樣發出輻射，該輻射被命名為“霍金輻射”。“霍金輻射”的溫度和自己的質量成反比——這樣，黑洞就會因為輻射而慢慢變小，而溫度卻越變越高，最后以爆炸告終。

1976年，他提出了著名的“黑洞信息悖論”，即黑洞輻射中并不包括黑洞內部物質的任何信息，一旦這個黑洞濃縮并蒸發消失后，黑洞內部的信息也就不知去向。

量子物理學的發展，讓黑洞的存在變得“可疑”。現代量子物理學認定物質信息是永遠不會完全消失的，這就與霍金提出的黑洞理論存在相悖之處。其實，霍金也一直在思考黑洞是否存在。他在《時間簡史》中曾寫到，他曾擔心黑洞可能只是理論上的概念，而現實中根本不存在。2004年，霍金了自己的論述：在他提交于“第17屆國際廣義相對論和萬有引力大會”的論文中，他坦誠“黑洞信息悖論”是錯誤的，黑洞同樣遵守宇宙普遍規律，是信息守恒的。此外，霍金還證明了黑洞的面積定理，即隨著時間的增加，黑洞的面積不減。

量子力學和廣義相對論范文3

以下，便是由世界各國科學家們鼎力推薦的魅力方程。

（本篇文字僅供同學們了解，以開闊眼界，你若對某個方程感興趣，就必須通過努力學習為將來深入研究打基礎。）

一、廣義相對論

該方程由20世紀最偉大的物理學家愛因斯坦于1915年提出，是開創性理論——廣義相對論的組成部分。它顛覆了科學家們此前對于引力的定義，將其描述為時空扭曲的結果。

二、標準模型

標準模型描述了那些被認為組成了當前宇宙的基本粒子。它還能夠被壓縮為以18世紀法國著名數學和天文學家約瑟夫·路易斯·拉格朗日命名的簡化形式。

不過，盡管標準方程可與量子力學、狹義相對論彼此兼容，但是卻難與廣義相對論建立統一關系，因此它在描述重力上無能為力。

三、微積分基本定理

如果說廣義相對論與標準方程描述的是宇宙的某些特殊方面，那么其他一些方程則適用于所有情況，比如微積分基本定理方程。

該方程堪稱微積分學的肱骨理論，并且把積分與導數這兩個微積分學中最為重要的概念聯系在一起。

四、勾股定理（也稱畢達哥拉斯定理）

該定理可謂老而彌香的骨灰級理論，幾乎是每個學生開始學習生涯后學到的第一批幾何知識。 這條定理的具體內容你還記得嗎？跟我一起復述：任何直角三角形的兩個直角邊長度的平方相加，其和等于剩下那條斜邊長度的平方。

五、歐拉方程

這個看起來非常簡單的方程，實質上描述了球體的本質。用馬薩諸塞州威廉姆斯學院的數學家科林·亞當斯的話說：“如果你能夠將一個球體分割成為面、邊和點，那么這些面、邊和點之間的關系，必定符合V-E+F=2。”

六、狹義相對論

愛因斯坦的狹義相對論并沒有把時間和空間看成絕對、靜止的概念，它們呈現的狀態與觀察者的速度有關。這個方程描述了隨著觀察者向某一方向移動的速度加快，時間是如何膨脹，或者說開始變慢的。

七、1=0.999999999…

從形式上看，這是一個很簡單的等式。1等于0.99999…這個無窮數，每個人都能理解，但同時又會有人覺得有些不甘心。

八、卡倫·西曼吉克方程

卡倫·西曼吉克方程可以說是上世紀70年代以來最為重要的方程之一。它告訴我們，在量子世界里，需要全新的思維和眼光。多年來，該方程在諸多方面都得到了有效應用，包括幫助物理學家們測量質子和中子的質量。

九、極小曲面方程

這個方程在某種程度上解釋了人們吹出的那些肥皂泡的秘密。該方程是非線性的，蘊涵了指數、微積分等知識，描述了美麗肥皂泡性質背后的數學。

量子力學和廣義相對論范文4

“想象一下，假如有一天你醒來，發現自己生活在計算機游戲里。”加拿大英屬哥倫比亞大學物理學家馬克?范拉姆斯東克說。這聽起來像是科幻電影的情節，但這正是他對現實的一種理解方式。如果這是真的，那“我們周圍的一切――整個三維的物理世界――就是一場幻覺，由來自某個地方的二維芯片上的編碼信息所產生的幻覺”。這構成了我們的三維空間宇宙，一種從低維底片上發出的全息投影。

即使拿通常的理論物理學標準來衡量，這種“全息理論”也相當奇怪，但范拉莫斯東克是少數前衛的研究人員之一，他們認為通常的理論尚不夠奇怪。無論是現代物理學的兩大支柱――廣義相對論和量子力學（廣義相對論把萬有引力作為一種時空彎曲，而量子力學是原子領域的統治法則），還是描述基本一維能量線的弦理論，都沒有對時空本身的存在給出任何解釋。如果沒有其他的，這種“全息理論”也不失為一種解釋。

范拉姆斯東克和他的同事們認為，物理學如不能解釋時空是如何以及從哪里產生的，它的任務就不算完成。時空可能從某種更基本的東西產生，這種東西尚未命名，至少需要構造一個像“全息”那樣大膽的概念。他們認為，這種從根本上對現實的重新定義，是解釋黑洞核心那個無限致密的“奇點”怎樣扭曲了時空構造的唯一方式，這超越了所有的認知。或者說，研究人員怎樣才能把原子尺度的量子理論和行星尺度的廣義相對論統一起來，有一個東西長期阻礙了理論學家的構建工作。

“所有的經驗都告訴我們，我們對現實不該有兩種顯著不同的構想，它必然是一個龐大的包含所有的理論。”美國賓夕法尼亞大學物理學家阿貝?阿什特卡說。

找到一個龐大的理論是一項艱巨挑戰。為此，《自然》雜志探索了現代幾種較有前途的前進路線――一些新興的觀點以及對它們的檢驗。

熱力學萬有引力

人們可能會問的一個最明顯的問題是，這種努力是否徒勞？是否真的有某種東西比時空更基本？證據何在？一個令人興奮的線索來自上世紀70年代早期取得的一系列不尋常的發現。當時，量子力學和萬有引力與熱動力學開始緊密結合在一起，這一趨勢日益明顯。

1974年，英國劍橋大學的斯蒂芬?霍金證明，黑洞周圍空間存在著量子效應，這使得黑洞向外發出輻射，就好像它很熱一樣。其他物理學家也很快得出結論，這種現象在宇宙中其實相當普遍。即使在真空里，正在加速的宇航員會感到他自己像是被包圍在熱水浴中。雖然對目前火箭可達到的加速而言，這種效應太微弱了而無法被覺察到，但這或許是個基本原理。如果量子理論和廣義相對論是正確的――這二者都已被眾多實驗所證實――那霍金輻射的存在似乎是理所當然。

第二個重要發現也與此密切相關。根據標準熱力學理論，一個物體要輻射出熱量必須降低熵值，這也是檢測其內部量子狀態的一種數量方法。所以黑洞也是如此：甚至早在霍金1974年發表其論文之前，現在以色列耶路撒冷希伯來大學任職的雅各布?貝肯斯坦就曾證明了黑洞擁有熵值。但二者之間還是有差異的。對于大部分物體來說，它們的熵與物體所含原子數目成比例，也就是和體積成比例；但黑洞的熵卻與其事件視界的表面積成比例。事件視界是光無法逃逸的界限，這就好像黑洞的表面是其內部信息的某種編碼，正像以二維全息編碼的形式來表現三維圖像那樣。

1995年，美國馬里蘭大學物理學家泰德?雅各布森將二者的發現結合起來提出一種假設：空間中的每個點上都有一個微小的“黑洞視界”，并服從熵與面積關系。結果他發現，這樣在數學上就變成了愛因斯坦的廣義相對論方程――只用了熱力學概念，而沒有用時空彎曲理論。

“這好像涉及某種深入萬有引力起源的東西。”雅各布森說。尤其是，熱力學定律的本質是一種統計表現，即大量原子和分子運動在宏觀上的平均，所以該計算結果也意味著，萬有引力也是統計上的表現，是對時空的某種看不見的成分的一種宏觀近似。

2010年，荷蘭阿姆斯特丹大學的弦理論學家埃里克?韋林德證明了時空成分的統計熱力學――無論它們最終是什么，都會自動產生牛頓的萬有引力定律。

而在另一項獨立研究中，印度浦那校際中心天文與天體物理學中心的宇宙學家薩努?帕德曼納班指出，愛因斯坦方程可以改寫成另一種等同于熱力學定律的形式――就像萬有引力的許多其他替換理論一樣。帕德曼納班最近正在擴展熱力學方法，試圖以此解釋暗能量的起源及其在宇宙中的量級。暗能量是推動宇宙加速膨脹的一種神秘力量。

要想用實驗來驗證這些想法是非常困難的。就好像水看起來是光滑完美的流體，但如果用顯微鏡深入觀察到能看見水分子的程度，也就是不到1納米，情況就會完全不同。據此人們估計，時空雖然看起來是連續的，但如果小到普朗克級別，大致是10的負35次方米，比一個質子還小約20個數量級，情況也可能完全不同。

但這并非不可能。人們經常提到一種方法可以檢驗時空的結構是否為離散的，就是尋找高能光子延遲。在遙遠的宇宙角落，由某個宇宙事件（比如超新星爆發）拋射出大量γ射線，這些高能光子到達地球可能會產生時間上的延遲。事實上，這些波長最短的光子能感覺到它們所穿越的太空旅途是由某種微小的、崎嶇不平的成分構成，正是這種崎嶇不平略微延緩了它們的行程。

2013年4月，意大利羅馬大學量子-引力研究員喬瓦尼?阿麥利諾-卡梅利亞和同事在一次γ射線爆發記錄中，發現了這種光子延遲的線索。阿麥利諾-卡梅利亞說，這些結果還不是最后定論，他們打算進一步擴展研究，觀察宇宙事件中產生的高能中微子的旅行時間。他說，如果這些理論無法被檢驗，“那么對于我來說，它們就不是科學，而是，我對此并無興趣。”

其他物理學家也在尋求實驗的證明。比如在2012年，奧地利維也納大學和英國倫敦帝國學院的科學家提出了一項“桌面實驗”，實驗中用到一種能在激光驅動下來回運動的顯微鏡。他們認為，當光從鏡面反射時，普朗克尺度的時空間隔會產生能探測得到的變化。

圈量子引力

即使這種理論是正確的，從熱力學的角度來看，時空的基本構成也可能什么都不是。姑且這么說，如果時空由某種東西編織而成的，那織造它的“線”又是什么？

目前一個還算實際的答案就是圈量子引力（loop quantum gravity）理論。該理論是上世紀80年代中期由阿什特卡等人發展而來，將時空構造描述為就像一張展開的蜘蛛網，網線上攜帶著它們所通過區域的量子化的面積和體積信息。每根網線的末端最終一定會連在一起而形成圈狀――正如該理論的名字――但這與更著名的弦理論的“弦”沒什么關系。弦理論的“弦”在時空中來回運動，而圈量子引力的“網線”則構成了時空本身：它們攜帶的信息定義了周圍時空構造的形狀。

由于這種圈是量子的，所以該理論也定義了一個最小面積單位，非常類似于在普通量子力學中，對氫原子一個電子的最小基本能量態的定義。這種面積量子是大約一個普朗克單位那么大的一個面。要想再插入一根面積更小的“線”，它就會跟其余的“網線”斷開。它不能與任何其他東西連接，只好從時空中退出。

定義了最小面積帶來了一個令人欣慰的結果，就是圈量子引力不能被無限擠壓到一個無限小的點。這意味著在大爆炸瞬間以及在黑洞中心，它不會產生那種打破愛因斯坦廣義相對論方程的奇點。

2006年，阿什特卡和同事報告他們利用這一優勢進行了一系列模擬，他們用愛因斯坦方程的圈量子引力版本反演了時鐘倒轉，以可視化形式展示了大爆炸之前發生了什么：宇宙如預期那樣反向演化，回溯到大爆炸時。但在它接近由圈量子引力決定的基本大小極限時，一股斥力進入奇點迫使其打開，成為一個隧道，通向另一個先于我們宇宙之前而存在的宇宙。

今年，烏拉圭大學物理學家魯道夫?甘比尼和美國路易斯安那大學的喬奇?普林也報告了相似的黑洞模擬。他們發現，當一個觀察者深入到黑洞核心時，遭遇到的不是奇點，而是一條狹窄的時空隧道，通向空間的另一部分。

“排除了奇點問題是一項重大成就。”阿什特卡說，他正和其他研究人員一起辨認那些留在宇宙微波背景上的特征標志。宇宙微波背景是宇宙在嬰兒時期迅速膨脹殘留的輻射。那些標志則可能是由一次反彈留下來的，而不是爆炸。

圈量子引力論還不是一個圓滿統一的理論，因為它沒有包括任何其他的力，而且物理學家們也還沒能說明，正常時空是怎樣從這種信息網中出現的。對此，德國馬克思?普朗克萬有引力物理學研究所的丹尼爾?奧利提希望在凝聚體物理學中尋找靈感。他在物質的過渡階段生成了一種奇異相態，這種相態可以用量子場論來描述。宇宙可能也經過類似的變化階段，奧利提和同事正在尋找公式來描述這一過程：宇宙怎樣從一系列離散的圈過渡到光滑而連續的時空。“我們的研究還處在初期階段，還很困難。我們就像是魚，游在難以理解的時間之流的最上游。”奧利提說。探索的艱難使一些研究人員轉而追求另一種更抽象的過程，由此提出了著名的因果集合論（causal set theory）。

因果集合論

因果集合論由加拿大周界研究所物理學家拉斐爾?索爾金創立。該理論提出，構成時空的“基本之磚”是簡單的數學上的點，各點之間由關系（links）連接，每個關系指示著從過去到未來。這種關系是因果性表現的本質，意味著前一個點會影響后一個點，但反過來不行。最終的因果網就像一棵不斷生長的樹，逐漸形成了時空。“你可以想象為，時空是由于這些點而出現的，就像溫度是由于原子而出現的那樣。”索爾金說，“但要問‘一個原子的溫度是多少？’是沒有意義的，要有一個整體的概念才有意義。”

上世紀80年代末時，索爾金用這一框架估算了可見宇宙可能包含的點的數量，推導出它們應該能產生一種小的內在能量，從而推動宇宙加速膨脹。幾年后，人們發現宇宙中存在一種暗能量，證實了他的猜想。“通常人們認為，從量子引力做出的預測是不可檢驗的，但這種情況卻可以。”倫敦帝國學院量子引力研究員喬?漢森說，“如果暗能量的值更大，或是零，因果集合論就成為不可能。”

雖然很難找到支持證據，因果集合論還是提供了其他一些可檢驗的預測，一些物理學家利用計算機模擬得到了更多結果。其中一種理論觀點可追溯到上世紀90年代初，大致上認為，普通時空由某種未知的基本成分構成，這些成分是微小的塊體，淹沒在混亂的量子漲落的海洋中，隨后這些時空塊自發地黏合在一起而形成更大的結構。

最早的研究是較令人失望的，荷蘭內梅亨大學物理學家雷內特?羅爾說。時空的“基本之磚”是一種簡單的超級金字塔，即三維四面體的四維形式。通過模擬的黏合規則讓它們自由結合，結果就成了一系列奇幻的“宇宙”，有的有太多維度而有的太少，它們自己會折疊起來或破成碎片。“就像是一場自由混戰，任何東西無法恢復原狀，類似于我們周圍所看到的一切。”羅爾說。

但是，像索爾金、羅爾他們的發現增加了改變一切的因果性。畢竟時間維度與三維的空間維度不同，羅爾說，“我們不能在時間中來回旅行。”所以她的研究小組對模擬做了改變，以保證后果不會跑到原因的前面。然后他們發現，時空小塊開始持續地自行組裝，成為光滑的四維宇宙，其性質正和我們所在的宇宙類似。

有趣的是，這一模擬還暗示了在大爆炸之后不久，宇宙在嬰兒期時只有二個維度：一維空間和一維時間。還有其他嘗試推導量子引力方程的實驗也得到了同樣預測，甚至還有人提出，暗能量的出現是我們的宇宙正在發展出第四空間維度的一個信號。其他人還證明了，在宇宙早期的二維階段可能形成一些花紋，類似于我們在宇宙微波背景上所看到的那樣。

全息論

與此同時，范拉姆斯東克在全息理論的基礎上，對時空的產生提出了另一種完全不同的設想。黑洞以一種類似全息的方式在其表面存儲了所有的熵，美國普林斯頓高級研究院的弦理論學家胡安?默爾德希納最早給這一理論構建了一個明確的數學公式，并在1998年發表了他的全息宇宙模型。在該模型中，三維的宇宙內部包含了弦和黑洞，只受萬有引力控制，而它的二維邊界包含了基本粒子和場，服從普通量子法則而無需萬有引力。

量子力學和廣義相對論范文5

Abstract:Science generates the scientific thought, Scientific thought guides the development of science . This paper sorts out the revolution of science in the 20th century, and then analyzes the scientific thought in the 20th-century.

關鍵詞:科學科學革命科學思想

Key word:Sciencescientific thoughtthe revolution of science

作者簡介:趙福成,河北師范大學法政學院2007級科學技術哲學專業碩士研究生。

20世紀發生的兩次科學革命是科學長期發展和積累的結果,但其深刻性和廣泛性,是歷代科學革命所無法比擬的。這驅使不少科學家去研究現代物理學革命的特征,探索科學發展的規律。

一、20世紀兩次全局性的科學革命

第一次是現代物理學革命。x射線直接地揭開了原子的秘密;湯姆孫發現電子標志著人類對物質微觀結構的開始;盧瑟福提出的原子模型,揭示了粒子和它的構造是怎樣的;質子中子的發現,對于認識原子核的內部具有重要意義;湯川秀樹提出介子學說,還提出了核力場的方程和核力的勢,即湯川勢的表達式;狄拉克提出了反粒子理論;蓋爾曼提出了介子有一堆正反夸克組成,重子由三個夸克組成;愛因斯坦的相對論是關于時空和引力的基本理論,分為狹義相對論和廣義相對論;從普朗克的能量子假說,到愛因斯坦的光量子假說,薛定諤的波動觀念,到玻恩對函數的統計解釋,海森伯的測不準原理及玻爾的互補原理,實現了量子力學的建立。

第二次是綜合性科學革命。標志性事件是:1946年第一臺計算機問世;弗里德曼提出的非靜態宇宙模型,認為宇宙是可能膨脹的;哈勃確定了星系紅移和距離之間的線性關系,證實了宇宙膨脹理論;勒梅特提出了宇宙爆炸說;伽莫夫把核物理學的知識同宇宙膨脹理論結合起來,發展了大爆炸理論,并用它來說明化學元素的起源;1948年系統論、信息論、控制論建立;申農與貝塔朗菲代表作的出版,標志著交叉科學信息論、控制論、一般系統論的誕生;1957年,古德等為系統工程論奠定了基礎;60年代以來,又出現了新的交叉科學――突變論、協同論和耗散結構理論;50年代板塊構造學說問世,魏格納提出大陸漂移說,由地幔對流說、海底擴張說等階段,到勒比雄等提出了全球大地板塊構造學說;1969年耗散結構理論問世;應用計算機對大氣科學和流體力學進行數值研究;分析力學中數學理論的進展,以及統計物理中遠離平衡態系統性態的研究,促進了非線性科學的發展; 1971年新興綜合性學科協同學問世;1972年突變理論問世并發展成為一個新的數學分支。

二、對兩次科學革命的科學思想淺析

(一)從歷時性(縱向)看20世紀科學思想的變遷

分析這兩次科學革命,我們可以把20世紀的科學思想分為兩個階段。在20世紀上半葉,科學的基礎性、主導型成果是相對論和量子力學,提出了關于時空相對性、空間彎曲、質量和能量的關系、作用量子、波粒二象性、測量中主客體的關系、量子力學的統計性解釋等思想,科學認識進入了宏觀高速運動領域、微觀領域和宇觀領域。在20世紀下半葉,主要科學成果是宇宙大爆炸理論、板塊構造理論、分子生物學理論以及耗散結構理論、協同學、混沌學、量子場論、量子宇宙學、規范場論、弦理論等,還提出了宇宙膨脹、全球地質觀、遺傳信息、系統自組織理論思想以及多重宇宙、多重歷史、黑洞輻射、時間圈環、多維空間、虛粒子、虛時間等猜想。

(二)從共時性(橫向)看20世紀科學思想的特征

20世紀的科學有兩大思潮:追求統一性與探索復雜性。

追求自然的統一性,一直是科學追求的基本目標。基于牛頓力學、電磁場學、化學原子論等近代科學碩果,到20世紀初,科學家們認為自然界統一于原子和力。到20世紀50年代,愛因斯坦是追求統一性的主要代表,他試圖把自然界的物質和作用統一于場。愛因斯坦是對以牛頓為代表的力學機械論的主要批判者,他的相對論有力的沖擊了絕對主義自然觀、科學觀和思維方式,相對論本身也是追求統一的產物,它追求力學與電磁學、慣性系與非慣性系的統一。可是愛因斯坦在統一場論的過程中,又戲劇性的轉向了絕對主義。在愛因斯坦之后,追求統一性的思潮發展為追求4種基本作用的“大統一”,不少科學家甚至追求包羅萬象的終極理論。量子場論、量子宇宙學、弦理論都體現出科學家追求統一的努力。

量子力學初步揭示了微觀世界的復雜性,強調自然世界的不確定性和微觀世界不同與宏觀世界的特殊性。以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的解釋,同物理學機械論是根本相悖的。愛因斯坦與哥本哈根學派的爭論,是堅持物理學機械論和反對無力學機械論這兩種思潮的爭論。

在20世紀后50年,普利高津提出了探索性的口號,使他成為復雜性科學思潮的主要代表。量子宇宙學、弦理論并不是根據現有的實驗建構起來的,也很難用實驗來驗證,在一定意義上可以說具有“超驗性”。在這種背景下,科學日益趨向數學化、模型化,思辨的色彩也越來越濃。狄拉克說,數學是特別適合于處理抽象概念的工具,在這個領域數學的力量是沒有限制的。到了霍金,這種意識就更加強烈了,數學模型被看做是追求統一的工具。20世紀上半葉,馬赫等人都上升到哲學,從哲學高度進行探索和解釋。這將對21世紀科學的發展具有重要的啟迪意義。

參考文獻:

[1] 周林等 科學家論方法[M ] 內蒙古人民出版社,1985年

[2] 狄拉克 量子力學原理[M ] 科學出版社,1965年

量子力學和廣義相對論范文6

從2012年3月起，美國弦論物理學家約瑟夫·波爾金斯基（Joseph Polchinski）就開始琢磨（當然是從數學的角度去考慮）一種自殺的過程：如果一個宇航員掉入黑洞會發生什么。顯然，他會死，可是死于什么原因呢？

按照以前的解釋，起初他不會有任何特別的感覺，甚至在他下落并穿過任何事物都無法逃脫的無形疆界—黑洞的事件視界時也是如此。但隨后，在幾小時、幾天，甚至幾周（只要黑洞足夠大）后，他會感到腳部受到的引力比頭部的大。他繼續墜落，被無情地帶向黑洞深處，巨大引力差把他的身體撕成了碎片。最終，他的遺骸將落到密度無窮大的黑洞核心。

波爾金斯基及其團隊的計算表明：量子效應會把黑洞的事件視界變成一個由炙熱粒子流形成的漩渦。任何落進黑洞視界的人都會遇到一堵火墻，立刻被燒成焦土。

2012年7月，他們將這一結果發表，震驚了物理學界。因為這違背了愛因斯坦早在一個世紀前提出的、作為廣義相對論基礎的基本物理原理—等效原理。等效原理認為，在引力作用下，下落的觀測者看到的現象，和飄在什么都沒有的空間中的觀測者看到的現象完全一樣，即使是在黑洞內部這樣的強引力場也是如此。沒有這一基本原理，愛因斯坦的理論框架就會坍塌。

波爾金斯基和合作者深知這一結果意味著什么，于是他們給出另一個可能的結果，即火墻無法形成。但是，這個方案同樣需要付出“高昂的代價”，即物理學家必須拋棄物理學的另一個重要支柱—量子力學。可是，量子力學在描述亞原子粒子相互作用的理論中占絕對的統治地位。

因此，他們把論文放到了arXiv網站上，讓物理學家們做一個選擇：要么接受火墻存在，廣義相對論不成立；要么承認黑洞可以丟失信息，量子力學有誤。

這篇論文在物理學界可以說是“一石激起千層浪”。“它竟然宣稱，放棄廣義相對論的等效原理是最好的選擇，這簡直讓人無法接受。”美國馬里蘭大學帕克分校的量子物理學家特德· 雅各布松（Ted Jacobson）說。加利福尼亞大學伯克利分校的弦論物理學家拉斐爾·布索（Raphael Bousso）持類似意見，并補充說，“火墻不可能存在，就像你站在空曠的野外，磚頭墻不會突然憑空出現，把你的臉撞扁”。如果愛因斯坦的理論在黑洞視界處不適用，宇宙學家就必須考察它的普適性。

波爾金斯基承認，他可能犯了什么低級錯誤。因此他求助斯坦福大學的弦論物理學家倫納德·薩斯金德（Leonard Susskind）—全息理論的創始人之一，幫他找出錯誤。“我的第一反應是，他們的結果可能是錯誤的。”薩斯金德說。但在深思熟慮之后，他放到網上的文章是這樣寫的：“我的第二個反應是他們是正確的，第三個反應是他們到底還是錯了，第四個反應是他們仍然正確，這給我招來一個綽號—‘溜溜球’，但我的反應恰恰是大多數物理學家的反應。”

從那時開始，四十多篇文章已經放到arXiv上，但迄今為止，還沒有一個人發現波爾金斯基小組有邏輯上的瑕疵。“這真是一個非常漂亮的工作，它指出我們對黑洞的理解有無法自圓其說的地方。”加拿大艾伯塔大學的唐·佩奇（Don Page）說。佩奇20世紀70年代曾與霍金有過合作。

到目前為止，科學家達成的唯一共識就是—這個問題不會很快得到解決。 有科學家認為，整個黑洞視界就是一個火圈。

科技史 昨天的科學報道 阿波羅航天服的秘密

“阿波羅”號登月宇航員所穿的航天服由內衣廠商Playtex的縫紉女工縫制，女工縫制時的誤差不得超過1/64英寸（約合0.4毫米）同時不能使用任何別針。在整個“阿波羅”計劃中，只有少數人真正將宇航員的命運掌握在自己手上，縫紉女工就是其中之一。

科學探索 機器翻譯

只有研究出中文的機器翻譯，西方人才有望真正了解中國的風俗、成就和抱負。中國有數億人口，目前出版的報紙、雜志和書籍每年約合30億字。在這個巨大的數字當中，只有不到1%的內容被翻譯成英文、法文或德文出版。

我們之所以需要自動翻譯，原因是人類譯者應付不了這樣巨量的工作，也不可能完全掌握翻譯所需的專業詞匯。（此消息刊發于1963年6月出版的《科學美國人》雜志）

環球科學 新知科技改變生活

【冰凍400多年的植物再現生機】：最新PNAS（《美國科學院院報》）報告，加拿大研究人員考察北極淚珠冰川時，發現一些凍存400多年的植物，他們采集了這些植物的樣本，在實驗室培養，結果培育出4個類別11株苔蘚植物。這些植物對極端環境的適應能力可能比此前認為的強得多，它們在歷史上可能對極地生態系統的建立和維持作出過貢獻。 環球科學

【巨型隕星墜落或導致猛犸象滅絕】：有科學家宣稱，一顆巨大的隕星很可能導致了猛犸象的滅絕。長久以來，人類的過度捕殺一直被認為是猛犸象滅絕的原因，但研究者認為，一顆巨大的隕星永久改變了陸地景觀，猛犸象無法適應新的環境，最終在一個世代的時間內滅絕了。 科學探索