近年來(lái)，好萊塢科幻大片幾乎都涉及人類(lèi)進(jìn)入第三類(lèi)文明，如大片大片“星際迷航”。人類(lèi)進(jìn)入第三類(lèi)文明所面臨的兩個(gè)最大問(wèn)題是引力和超光速運(yùn)動(dòng)。前者涉及引力困擾人類(lèi)近五個(gè)世紀(jì)的根本原因，后者涉及相對(duì)性的基礎(chǔ)，這是當(dāng)代物理學(xué)中兩個(gè)最大的問(wèn)題。

雖然當(dāng)代物理學(xué)家已經(jīng)耗盡了他們所有的智慧來(lái)試圖解決這兩個(gè)謎團(tuán)，但他們?nèi)匀粵](méi)有任何好處，甚至是悲觀的，對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的理解，當(dāng)代物理學(xué)家和近一個(gè)世紀(jì)以前的愛(ài)情在愛(ài)因斯坦時(shí)代沒(méi)有任何進(jìn)步。

當(dāng)代理論物理學(xué)家似乎感到筋疲力盡。

事實(shí)上，早在1956年楊振寧和米爾斯建立楊一米的規(guī)范場(chǎng)理論時(shí)，理論物理學(xué)就開(kāi)始被淹沒(méi)在粒子物理學(xué)的輝煌進(jìn)展中。然而，量子物理學(xué)的進(jìn)步并沒(méi)有為引力這兩個(gè)主要問(wèn)題和相對(duì)性基礎(chǔ)提供任何有用的信息。相反，它使問(wèn)題復(fù)雜化并導(dǎo)致了一個(gè)新的更深層次的問(wèn)題。 ，量子理論和相對(duì)論，它們更完整。

讓我們把注意力轉(zhuǎn)回到一個(gè)世紀(jì)前創(chuàng)造的狹義相對(duì)論。

狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)

1905年，伯爾尼專(zhuān)利局的工作人員愛(ài)因斯坦在德國(guó)物理雜志“物理筆記”上發(fā)表了五篇論文。其中一個(gè)主題是“運(yùn)動(dòng)身體的動(dòng)力學(xué)”，它重寫(xiě)了現(xiàn)代物理學(xué)的面貌。 。幾年后，愛(ài)因斯坦的大學(xué)物理教師閔可夫斯基稱(chēng)愛(ài)因斯坦的新理論為“相對(duì)論”，即運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的。愛(ài)因斯坦本人稱(chēng)這一理論為“狹義相對(duì)論”，以區(qū)別于后來(lái)引入的更為籠統(tǒng)的“相對(duì)論”，包括廣義相對(duì)論。

在引入狹義相對(duì)論之后，它并未立即引起物理學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。支持這一理論的物理學(xué)家是普朗克。

狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)是基于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)。第一個(gè)是光速恒定的原理，第二個(gè)是運(yùn)動(dòng)定律的普遍原理，即力學(xué)運(yùn)動(dòng)定律，可以應(yīng)用于電動(dòng)力學(xué)。

愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論在下個(gè)世紀(jì)經(jīng)歷了任何理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，到目前為止尚未發(fā)現(xiàn)。

實(shí)質(zhì)上，狹義相對(duì)論在協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)定律方面是成功的。然而，這種理論限制了人體運(yùn)動(dòng)的速度 - 任何宏觀物體的運(yùn)動(dòng)速度都不超過(guò)光速。從那時(shí)起，人類(lèi)試圖以超光速到達(dá)遙遠(yuǎn)的星系已成為一個(gè)夢(mèng)想。

為什么物體的運(yùn)動(dòng)不超過(guò)光速？狹義相對(duì)論似乎給出了解釋。這是因?yàn)楫?dāng)物體的速度增加時(shí)，其慣性質(zhì)量也會(huì)增加，直到達(dá)到光速時(shí)達(dá)到無(wú)窮大。因此，光速是運(yùn)動(dòng)的極限。

為什么光速是運(yùn)動(dòng)極限？要達(dá)到這個(gè)問(wèn)題的核心，首先必須從狹義相對(duì)論出發(fā)。正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)，這一理論試圖將運(yùn)動(dòng)定律轉(zhuǎn)化為電動(dòng)力學(xué)。我們知道，在電動(dòng)力學(xué)中，任何物體都不能超越光速，也就是說(shuō)，僅在動(dòng)力科學(xué)中，運(yùn)動(dòng)不會(huì)超過(guò)光速。進(jìn)一步說(shuō)，在量子理論的語(yǔ)言中，所謂的電動(dòng)力學(xué)僅涉及可以耦合電荷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。如果存在一種不與電荷耦合的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型，則這種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)速度限制，并且可能超過(guò)光速。

在過(guò)去的幾十年里，科學(xué)家確實(shí)觀察到了超光速運(yùn)動(dòng)。在大規(guī)模上，在天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了超光速運(yùn)動(dòng)的集群。在小范圍內(nèi)，觀察到比光速移動(dòng)得快的粒子。它們甚至被稱(chēng)為“快速”，意味著粒子的移動(dòng)速度比光速快。

但為什么這些超光速運(yùn)動(dòng)存在呢？相對(duì)論本身并沒(méi)有給出答案，而量子理論也無(wú)法回答。因?yàn)榱孔永碚摏](méi)有提供關(guān)于未與電荷耦合的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是否可以超過(guò)光速的信息，量子理論究竟是什么樣的理論呢？

量子理論

量子理論源于普朗克1900年對(duì)黑體輻射的研究。

為了合理地解釋黑體輻射現(xiàn)象，普朗克引入了最小的能量作用單位 - 能量量子的概念取代了被認(rèn)為在微觀上連續(xù)的能量流。世界。就像幾年后愛(ài)因斯坦的相對(duì)論一樣，量子理論在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的注意，直到后來(lái)愛(ài)因斯坦在論文中采用量子概念來(lái)解釋光電效應(yīng)。因此，建立量子理論，為愛(ài)因斯坦做出了巨大的貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)30年代，量子理論與電磁場(chǎng)理論的結(jié)合形成了量子場(chǎng)論，極大地推動(dòng)了量子物理學(xué)的進(jìn)步。

與相對(duì)論一樣，量子理論的局限性很快就被發(fā)現(xiàn)了。如果相對(duì)論給人類(lèi)帶來(lái)運(yùn)動(dòng)不能超過(guò)光速，那么量子理論會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)人類(lèi)無(wú)法同時(shí)測(cè)量粒子的速度和位置。這使得愛(ài)因斯坦后來(lái)成為量子理論的懷疑論者 - 不確定性原理，也被稱(chēng)為不確定性原理。

對(duì)于這個(gè)原則，愛(ài)因斯坦和波爾在整個(gè)歐洲物理學(xué)界，在20世紀(jì)30年代早期爆發(fā)了幾次轟動(dòng)。盡管這些論點(diǎn)并未導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的結(jié)果，但在20世紀(jì)60年代，貝爾提出了著名的貝爾不等式。

根據(jù)這種不平等，可以確定波爾和愛(ài)因斯坦是正確的。二十年后，隨著激光技術(shù)和單光子粒子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，人們終于可以在實(shí)驗(yàn)室條件下驗(yàn)證貝爾。美國(guó)和歐洲的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組先后獲得了數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)支持了玻爾的觀點(diǎn)。量子理論對(duì)自然的描述是完整的，愛(ài)因斯坦所謂的“隱變量”理論是錯(cuò)誤的。也就是說(shuō)，在量子理論的深層意義上，沒(méi)有隱藏變量可以決定粒子的量子行為。

話雖如此，人們自然會(huì)問(wèn)，既然量子理論對(duì)自然現(xiàn)象的描述是完整的，為什么使用量子理論來(lái)描述引力是不成功的呢？在20世紀(jì)的兩種理論中只有一種理論嗎？對(duì)？這個(gè)問(wèn)題確實(shí)是當(dāng)代物理學(xué)家深刻思考的問(wèn)題。

事實(shí)上，相對(duì)論只是一種“現(xiàn)象學(xué)理論”。從哲學(xué)的角度來(lái)看，既然現(xiàn)象學(xué)理論只是基于對(duì)現(xiàn)象的描述，而不是揭示機(jī)制，它就不會(huì)逃脫命運(yùn)的取代。通過(guò)新理論。

然而，量子理論是不同的。量子理論不是現(xiàn)象學(xué)理論，而是揭示本質(zhì)的理論。雖然它的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)需要進(jìn)一步改進(jìn)，但它是一種直接反映本質(zhì)的理論。因此，物理學(xué)家將這一理論稱(chēng)為“絕對(duì)理論”。例如，還有熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律，熱力學(xué)第二定律，即熵增原理。這些理論被稱(chēng)為“絕對(duì)理論”。

話雖如此，人們自然會(huì)理解為什么量子理論和相對(duì)論聯(lián)合在一起時(shí)發(fā)生的量子引力理論不會(huì)成功。原因在于一個(gè)是現(xiàn)象學(xué)理論，另一個(gè)是“絕對(duì)理論”的基本原理是不同的。不會(huì)合并在一起。

引力理論的未來(lái)

無(wú)論如何，進(jìn)入第三類(lèi)文明永遠(yuǎn)無(wú)法繞過(guò)引力的本質(zhì)問(wèn)題。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，如超空間理論，弦理論試圖開(kāi)辟一種新的方式來(lái)揭示引力的本質(zhì)，繞過(guò)相對(duì)論和量子理論，但仍未見(jiàn)到曙光。超空間理論試圖增加空間維度來(lái)重新解釋引力。然而，一個(gè)不可避免的問(wèn)題是，一旦空間維度超過(guò)四維，那么重力就會(huì)成為其中的短程相互作用。顯然，超空間理論被消除了。候選人。

那么弦理論呢？到目前為止，人們無(wú)法判斷哪種弦理論和經(jīng)典量子理論是優(yōu)越的。從實(shí)踐的角度來(lái)看，經(jīng)典量子理論的數(shù)學(xué)處理是成熟的，所用的數(shù)學(xué)方法很簡(jiǎn)單，弦理論所采用的數(shù)學(xué)處理過(guò)于復(fù)雜，沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

弦理論目前僅在引力現(xiàn)象的描述中，并沒(méi)有深入到引力的本質(zhì)。從物質(zhì)中獲得的重力的性質(zhì)仍然是未知的。因此，嘈雜的弦理論現(xiàn)在似乎已成為幾乎沒(méi)有物理內(nèi)涵的數(shù)學(xué)游戲。

人類(lèi)正試圖進(jìn)入第三類(lèi)文明，即引力的來(lái)源，光速運(yùn)動(dòng)始終是一個(gè)無(wú)法避免的問(wèn)題。 20世紀(jì)物理學(xué)的進(jìn)步并未揭示這兩個(gè)謎團(tuán)，甚至在一定程度上削弱了人們對(duì)兩大問(wèn)題難度的理解。到目前為止，21世紀(jì)的物理學(xué)家已經(jīng)面臨這兩個(gè)主要問(wèn)題，但仍未找到入口。進(jìn)入第三類(lèi)文明的人類(lèi)之路仍然漫長(zhǎng)。