相對(duì)論和量子力學(xué)的不協(xié)調(diào)問題.doc

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1、4、相對(duì)論與量子力學(xué)的不協(xié)調(diào)問題物理學(xué)最基本的目的是尋求自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一規(guī)律，然而現(xiàn)代物理學(xué)擁有一個(gè)支離破碎的物理理念世界:超宏觀的有天文學(xué)的"黑洞"，"宇宙大爆炸";微觀的有微觀粒子的波粒二象性;介于其間的有狹義和廣義相對(duì)論。在現(xiàn)代物理學(xué)把各個(gè)學(xué)科的觀察分別描述成各種互相獨(dú)立的力作用系統(tǒng)，而忽略了其中的內(nèi)在聯(lián)系。聯(lián)合國(guó)教科文組織在《1988年世界科學(xué)報(bào)告》中指出：“相對(duì)論和量子理論是20世紀(jì)的兩大學(xué)術(shù)成就，遺憾的是這兩個(gè)理論迄今為止被證明是對(duì)立的?！敝锌圃涸洪L(zhǎng)、理論物理學(xué)家周光召2005年在中科院理論物理所的一次演講中所說：“像相對(duì)論、量子力學(xué)或是量子場(chǎng)論這些最基本的理

2、論，到現(xiàn)在為止，仍有跡象表明都不是最終的理論。無論是基本粒子，還是天體物理，都在不斷提供很多新的現(xiàn)象，對(duì)這些現(xiàn)象，現(xiàn)有的理論完全無法解釋。”我國(guó)一位著名理論物理學(xué)家曾表示：“從五十年代開始廣義相對(duì)論引力論工作者用不同的條件和數(shù)學(xué)方法發(fā)表了數(shù)以百計(jì)篇的場(chǎng)方程準(zhǔn)確解的論文。但是，作者們自己也不得不承認(rèn)這些解的絕大多數(shù)和物理現(xiàn)象沒有關(guān)系。”如果說目前尚有100道物理難題困擾著人類；然而比起其他99道物理難題來，量子力學(xué)同相對(duì)論的協(xié)調(diào)問題乃是所有問題的根本。此問題實(shí)乃20世紀(jì)人類留給21世紀(jì)物理學(xué)的第一朵“烏云”。一位學(xué)者說：現(xiàn)在的物理學(xué)家應(yīng)該是這樣的一些人，星期一、三、五研究量子理論

3、，星期二、四、六研究引力相對(duì)論，星期日就去向上帝祈禱。讓別人，最好是他自己能把量子理論與相對(duì)論結(jié)合在一起。Einstein于1946年就指出：“迄今為止想把量子論和相對(duì)論融合起來的一切努力都遇到了抵制”?！?】30余年后惠勒再次指出：“我們常說，物理學(xué)中最大的問題是協(xié)調(diào)量子論和相對(duì)論。我現(xiàn)在更顯明地說：量子論和相對(duì)論根本不能協(xié)調(diào)”。【3】霍夫曼則說：“雖然在我們尋求知識(shí)當(dāng)中，這兩個(gè)理論一起作出了最深刻的進(jìn)展，然而它們必將彼此為敵，要等到一個(gè)更加有力的理論把這兩個(gè)理論都征服了，它們的根本分歧才會(huì)得到解決。新理論會(huì)消除我們現(xiàn)在煞費(fèi)苦心獲得的關(guān)于空間、時(shí)間、物質(zhì)和輻射及因果性等的幻想

4、?！薄?】也有人說：量子理論同相對(duì)論之間，有著深刻的，尖銳的，災(zāi)難性的矛盾。妥善解決量子理論同相對(duì)論之間的問題，應(yīng)該是蘊(yùn)含了一場(chǎng)科學(xué)的革命。李政道提出，在21世紀(jì)會(huì)出現(xiàn)四個(gè)重大的研究領(lǐng)域：目前在原來的物理學(xué)框架上，理論發(fā)展已經(jīng)很困難，應(yīng)該有一個(gè)大的突破。應(yīng)該著眼于微觀的基本粒子和宏觀的真空態(tài)統(tǒng)一起來研究，這比20世紀(jì)初的理論革命會(huì)有更加大的突破。量子力學(xué)的不確定原理，使真空中充滿虛實(shí)粒子對(duì)，它們具有無限大的能量，按照相對(duì)論就應(yīng)該有無限大的質(zhì)量，進(jìn)而產(chǎn)生無限大的引力，宇宙就會(huì)坍塌成一個(gè)點(diǎn)，但實(shí)際宇宙并未坍塌。我們的科學(xué)被劃分成了一個(gè)個(gè)相對(duì)孤立的體系，并不斷地進(jìn)行繼續(xù)的分化，看起來

5、科學(xué)之樹越來越枝繁葉茂，但同時(shí)也越來越繁瑣，越來越孤立。實(shí)驗(yàn)和理論的對(duì)立統(tǒng)一作為科學(xué)發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力是根本的，也是顯而易見的。但是，世紀(jì)之交的物理學(xué)革命表明，各理論體系之間的對(duì)立統(tǒng)一也是科學(xué)發(fā)展的一種不可忽視的內(nèi)在動(dòng)力，它有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致新概念或新理論的提出?？陀^世界是統(tǒng)一的，作為反映客觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論必然具有某種內(nèi)在的聯(lián)系。這是從表面上的對(duì)立入手，追求本質(zhì)上統(tǒng)一的理論的客觀基礎(chǔ)。作為演繹前提的基本概念和基本假設(shè)變得愈來愈抽象，愈來愈遠(yuǎn)離感覺經(jīng)驗(yàn)。僅僅通過實(shí)驗(yàn)，用構(gòu)造性的努力去發(fā)現(xiàn)真實(shí)定律是相當(dāng)困難的，甚至是不可能的。著眼于各理論體系之間的對(duì)立統(tǒng)一，往往能創(chuàng)出新路。由于種種條件的

6、限制，有關(guān)實(shí)驗(yàn)在一定的歷史時(shí)期內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)或一時(shí)難以完成。如果要等實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)有科學(xué)理論發(fā)生尖銳矛盾時(shí)再立足于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行研究，勢(shì)必大大延緩科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程。在這種情況下，從舊有理論體系之間的矛盾入手，往往能取得突破。實(shí)驗(yàn)由于設(shè)備復(fù)雜、要求精度很高等原因，其他人往往難以重復(fù)，這樣便難于及時(shí)得到科學(xué)界的公認(rèn)和受到應(yīng)有的重視?？茖W(xué)家(包括實(shí)驗(yàn)者本人)對(duì)新實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)有一個(gè)曲折的過程，特別是那些觸及傳統(tǒng)觀念的實(shí)驗(yàn)，其深刻意義往往需要很久才能被揭示出來。?本世紀(jì)20年代量子力學(xué)建立以后，狹義和廣義相對(duì)論與量子理論相結(jié)合，一直是理論物理學(xué)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。半個(gè)世紀(jì)以來，這種結(jié)合不斷發(fā)展和深化，也不

7、斷接受科學(xué)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。一方面，實(shí)驗(yàn)事實(shí)充分證明相對(duì)論和量子力學(xué)在其有效范圍內(nèi)是可靠的理論；另一方面，實(shí)驗(yàn)研究和理論進(jìn)展表明，它們也遇到了一些難以解決的反常問題，其中一些問題是帶有根本性的和革命性的，似乎難以容納在相對(duì)論和量子力學(xué)的框架內(nèi)。廣義相對(duì)論中應(yīng)用的是張量算子，而它是以微分學(xué)為基礎(chǔ)的，這要求空間是光滑的，但是量子力學(xué)要求空間的量子化，必然對(duì)廣義相對(duì)論建立的基礎(chǔ)產(chǎn)生沖擊，量子力學(xué)的基本方程是薛定鄂方程，為一波函數(shù)的二階偏微分方程，因?yàn)椴ê瘮?shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件是有限，唯一，連續(xù)，所以事實(shí)上量子化的