作者簡介：Don 是烏克蘭能源部費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室（英國最大的強(qiáng)子對撞機(jī)研究設(shè)施）的高級科學(xué)家。 他經(jīng)常公開發(fā)表一些文章，你可以關(guān)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(xué)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(zhì)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(gè)太陽質(zhì)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(shí)間開始到時(shí)間結(jié)束的廣泛現(xiàn)象，甚至描述了深空黑洞塌縮、穿越事件視界、不斷塌縮、差點(diǎn)陷入黑洞的旅程。黑洞的中心——奇點(diǎn)。
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(xiàn)象，例如水星的軌道和雙脈沖星的運(yùn)行。 而且，這也是GPS定位系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。
然而，在宇宙的起源和黑洞的中心有一個(gè)不尋常的世界——量子世界。 在這樣的環(huán)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(shí)期恰逢量子熱的誕生，他與玻爾關(guān)于這一非常規(guī)預(yù)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(gè)問題。
盡管愛因斯坦嘲笑量子熱，但他也認(rèn)識到量子領(lǐng)域的重要性。 因此，他開始尋找如何將他的史詩理論應(yīng)用到微觀世界。 他努力的結(jié)果可以用三個(gè)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(tǒng)一廣義相對論和量子熱的方法，但沒有成功。 歷史學(xué)家對這段歷史非常感興趣，因?yàn)樘觳挪]有成功。 而且，未來的幾年、六年，沒有人能夠?qū)崿F(xiàn)自己的夢想。
晚年的愛因斯坦。
當(dāng)你把二十世紀(jì)最重要的兩種理論結(jié)合起來來理解世界的根本問題時(shí)，你會發(fā)現(xiàn)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(xù)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(gè)量子化的世界，世界中的物質(zhì)是離散的，存在不連續(xù)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(zhì)——液態(tài)水。 事實(shí)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(gè)你熟悉的場景。 當(dāng)你的手插入水底時(shí)，你會感覺到水是一種連續(xù)的物質(zhì)。 您可以想象將水隔開一個(gè)小空間，但仍然充滿水。 事實(shí)上，物理學(xué)上假設(shè)流體很難分成許多最小的單位，而且它們是連續(xù)存在的。 無論你把空間切得多小，它都充滿了水。 微分多項(xiàng)式用于描述物理學(xué)中的這些情況。 也就是說，微分方程假設(shè)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(dāng)我們將尺寸縮小到 3 埃（水分子的尺寸）以內(nèi)時(shí)，一切都會發(fā)生變化。 其實(shí)這么小的尺度我們是碰不到的，因?yàn)楫?dāng)尺度縮小到這個(gè)程度的時(shí)候，水的概念就已經(jīng)不一樣了。 在這個(gè)層面上，我們將凝視原子內(nèi)部的空間，即繞原子核運(yùn)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(fā)射特定波長電磁波的原因：電子處于特定的基態(tài)，每個(gè)基態(tài)之間沒有其他軌道。 當(dāng)電子躍遷時(shí)，如果初始基態(tài)的能量高于最終基態(tài)的能量，原子就會釋放能量（一般以電磁波的形式接收）。
當(dāng)電子從高能軌道躍遷到低能軌道時(shí)，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(tǒng)一起來本質(zhì)上是不可能的！
相對論和量子熱的不相容性
單獨(dú)來看，兩種理論都是可以理解的，而當(dāng)你試圖統(tǒng)一這兩種理論時(shí)量子物理理論，就會出現(xiàn)不可調(diào)和的矛盾，這也意味著你首先就錯(cuò)了。
例如，如果你將電子視為沒有尺寸的經(jīng)典物體，那么當(dāng)你估計(jì)將兩個(gè)電子融合在一起需要多少能量時(shí)，你會發(fā)現(xiàn)需要無限的能量。 無窮大是物理學(xué)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(shí)際估計(jì)表明它超出了一定的適用范圍，我們必須找到一些新的數(shù)學(xué)定理。
現(xiàn)代，科學(xué)家們也在試圖解決困擾愛因斯坦的困境。 原因很簡單：科學(xué)的目的是解釋所有現(xiàn)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(qiáng)核力、弱核力、電磁力和引力）中，我們已經(jīng)能夠?yàn)槠渲腥N力建立量子力學(xué)——強(qiáng)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(qiáng)子對撞機(jī)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?nèi)匀粺o法制定量子引力理論，我們就無法擁有一個(gè)適用于一切的統(tǒng)一理論。 看來科學(xué)界對于這個(gè)問題的正確研究方向還沒有達(dá)成共識，但也有一些有局限性的成功觀點(diǎn)，比如弦理論。
弦理論
弦理論，又稱弦理論，是結(jié)合了量子熱力學(xué)和廣義相對論的理論化學(xué)的一個(gè)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(zhì)子、夸克等微觀粒子都是由這條一維的“能量線”組成的。
物質(zhì)放大呈現(xiàn)不同的階段，以弦階段結(jié)束：①物質(zhì)； ②分子結(jié)構(gòu)（原子）； ③原子（質(zhì)子、中子、電子）； ④電子； ⑤夸克； ⑥弦。
弦理論引起了許多科學(xué)家的關(guān)注，主要是因?yàn)樗谐蔀榇蠼y(tǒng)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(shù)學(xué)界已知的所有排斥力和物質(zhì)來解釋宇宙，目前還是一個(gè)未知數(shù)。
在沒有被實(shí)驗(yàn)否定之前，弦理論暫時(shí)屬于哲學(xué)范疇，不能完全視為數(shù)學(xué)。 它未能獲得實(shí)驗(yàn)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(yù)測。 此外，目前的高速粒子加速器還不夠強(qiáng)大。
匯編/小三