作者簡介：Don 是烏克蘭能源部費米加速器實驗室（英國最大的強子對撞機研究設施）的高級科學家。 他經常公開發表一些文章，你可以關注他。
去年十一月是愛因斯坦廣義相對論一百周年，這是他非凡的科學生涯中最偉大的成就之一。 這一理論向我們揭示了空間在物質和能量的影響下可以延伸、彎曲和拉伸。 這徹底改變了我們對宇宙的理解，并引入了黑洞和蟲洞等令人興奮的概念。
600 公里處的 10 個太陽質量的黑洞（模擬）視圖量子物理理論，背景是銀河系。
愛因斯坦的廣義相對論描述了一種幾乎從時間開始到時間結束的廣泛現象，甚至描述了深空黑洞塌縮、穿越事件視界、不斷塌縮、差點陷入黑洞的旅程。黑洞的中心——奇點。
潛入量子世界
上面兩次使用“幾乎”一詞并非偶然。 愛因斯坦的理論在大尺度上非常有效。 該理論巧妙地解釋了許多現象，例如水星的軌道和雙脈沖星的運行。 而且，這也是GPS定位系統的理論基礎。
然而，在宇宙的起源和黑洞的中心有一個不尋常的世界——量子世界。 在這樣的環境下研究的問題涉及亞原子尺度，這就是問題所在。
愛因斯坦的全盛時期恰逢量子熱的誕生，他與玻爾關于這一非常規預言的辯論鑄就了一段傳奇。 “上帝不玩骰子！” 這是愛因斯坦留下的一句名言。
1925年，玻爾與愛因斯坦討論了這個問題。
盡管愛因斯坦嘲笑量子熱，但他也認識到量子領域的重要性。 因此，他開始尋找如何將他的史詩理論應用到微觀世界。 他努力的結果可以用三個字來概括：失敗、失敗、啦！
相對論和量子世界
愛因斯坦用余生試圖找到統一廣義相對論和量子熱的方法，但沒有成功。 歷史學家對這段歷史非常感興趣，因為天才并沒有成功。 而且，未來的幾年、六年，沒有人能夠實現自己的夢想。
晚年的愛因斯坦。
當你把二十世紀最重要的兩種理論結合起來來理解世界的根本問題時，你會發現很有趣。 廣義相對論使用一系列微分方程來描述物理上所謂的平滑連續可微空間。 對于外行來說，相對論在物理上看起來是光滑的，沒有任何尖銳的邊緣。 量子量熱描述了一個量子化的世界，世界中的物質是離散的，存在不連續性。
以水為例
為了理解這種不同的物理公式，我們可以深入研究一種非常熟悉的物質——液態水。 事實上，您聽說過水的張力有兩種描述方式：微分方程和離散物理。
想象一個你熟悉的場景。 當你的手插入水底時，你會感覺到水是一種連續的物質。 您可以想象將水隔開一個小空間，但仍然充滿水。 事實上，物理學上假設流體很難分成許多最小的單位，而且它們是連續存在的。 無論你把空間切得多小，它都充滿了水。 微分多項式用于描述物理學中的這些情況。 也就是說，微分方程假設不存在最小單位體。
水分子的示意圖。
然而，我們都知道這是不可能的。 我們都知道水分子，但是當我們將尺寸縮小到 3 埃（水分子的尺寸）以內時，一切都會發生變化。 其實這么小的尺度我們是碰不到的，因為當尺度縮小到這個程度的時候，水的概念就已經不一樣了。 在這個層面上，我們將凝視原子內部的空間，即繞原子核運行的電子。 量子熱基于這樣的思想：存在最小單位，距離和能量是離散的。 這也是加熱氣體感知并發射特定波長電磁波的原因：電子處于特定的基態，每個基態之間沒有其他軌道。 當電子躍遷時，如果初始基態的能量高于最終基態的能量，原子就會釋放能量（一般以電磁波的形式接收）。
當電子從高能軌道躍遷到低能軌道時，它會以電磁波的形式釋放能量差。
因此，兩種理論在物理上統一起來本質上是不可能的！
相對論和量子熱的不相容性
單獨來看，兩種理論都是可以理解的，而當你試圖統一這兩種理論時量子物理理論，就會出現不可調和的矛盾，這也意味著你首先就錯了。
例如，如果你將電子視為沒有尺寸的經典物體，那么當你估計將兩個電子融合在一起需要多少能量時，你會發現需要無限的能量。 無窮大是物理學家頭疼的問題，它釋放的能量比宇宙中所有恒星釋放的能量總和還要多。 在小至電子的尺度上，無限的能量是令人難以置信的。 因此，無窮大的實際估計表明它超出了一定的適用范圍，我們必須找到一些新的數學定理。
現代，科學家們也在試圖解決困擾愛因斯坦的困境。 原因很簡單：科學的目的是解釋所有現象，從最小的物體到最大的宇宙。
在我們已知的四種基本自然力（強核力、弱核力、電磁力和引力）中，我們已經能夠為其中三種力建立量子力學——強核力、弱核力和電磁力理論。
希格斯骰子形成的視圖，如小型強子對撞機的緊湊μ子線圈所見。
廣義相對論無疑是向前邁出的一大步，只要我們仍然無法制定量子引力理論，我們就無法擁有一個適用于一切的統一理論。 看來科學界對于這個問題的正確研究方向還沒有達成共識，但也有一些有局限性的成功觀點，比如弦理論。
弦理論
弦理論，又稱弦理論，是結合了量子熱力學和廣義相對論的理論化學的一個分支。 弦理論以“能量弦”作為最基本的單位，解釋了宇宙中所有的電子、質子、夸克等微觀粒子都是由這條一維的“能量線”組成的。
物質放大呈現不同的階段，以弦階段結束：①物質； ②分子結構（原子）； ③原子（質子、中子、電子）； ④電子； ⑤夸克； ⑥弦。
弦理論引起了許多科學家的關注，主要是因為它有成為大統一理論的潛力。 弦理論也可能是量子引力的解決方案之一。 至于弦理論是否能夠成功地基于數學界已知的所有排斥力和物質來解釋宇宙，目前還是一個未知數。
在沒有被實驗否定之前，弦理論暫時屬于哲學范疇，不能完全視為數學。 它未能獲得實驗證明的原因之一是沒有人對弦理論有足夠的了解來做出正確的預測。 此外，目前的高速粒子加速器還不夠強大。
匯編/小三