量子力学与相对论到底有什么冲突？什么时候能统一？

提起相对论与量子物理学，几乎人尽皆知，它们是现代科学的两大支柱。相对论主导了我们所见的庞大宇宙，而量子物理学则主宰了微观世界的秩序。

然而，即便如此，直到今日，两大理论仍未能完全融合，彼此之间似乎尚存鸿沟。那么，它们之间到底存在何种冲突呢？

简而言之，相对论根植于传统经典理论，而量子物理学则是量子世界的产物，它们有何不同？

经典理论坚持万物皆可描绘、可预见，一切现象都是连续的。例如，我们每天接收的天气预报，就是对未来气候的预示。

而量子理论则走上了另一条道路，它认为我们所处的宇宙并非连续，一切皆是难以预测的、充满不确定性，只能通过概率（波函数）来描绘。

让我们深入探讨一下相对论与量子物理学的“历史与现状”。

相对论可以细分为特殊相对论与广义相对论。特殊相对论建立在两大公理之上：“光速不变原理”和“相对性原理”。

在研究著名的麦克斯韦方程组时，爱因斯坦发现，光速仅与真空的电容率和磁导率有关，与参考系无关。这表明，光速是宇宙中的一个常数，无论在何种参考系中，速度的叠加都保持不变。

这一发现与伽利略变换（即速度的叠加原则）和牛顿经典物理产生了矛盾。

这表明，麦克斯韦方程组与牛顿经典力学（伽利略变换）必有一个是错误的。

经过深入思考（这个过程颇为复杂，此处略过），爱因斯坦提出了自己对时空的看法，他认为时间与空间并非绝对存在，而是一个不可分割的整体。

这种观念彻底颠覆了牛顿经典时空观，因为牛顿认为时间与空间是独立且绝对的，两者毫无关系。

这里需要强调的是，在特殊相对论中，时间和空间是相对的，但并非指时空是相对的。在特殊相对论里，时空是绝对的，例如你花费五分钟阅读这篇文章这一“事件”，它是绝对的。

广义相对论则是在特殊相对论的基础上，加入了重力概念，并推广至所有参考系。广义相对论认为，时空并不是平坦的，而是具有曲率的。

因此，在爱因斯坦看来，所谓的重力仅仅是时空曲率的外在表现。可以简单地解释为：时空指引物体运动的轨迹，而物体的运动反过来塑造时空的曲率。

接下来，我们转向量子物理学。

随着量子物理学的不断发展，出现了诸如量子色动力学、量子电动力学等分支，它们分别统一了弱力与电磁力，并成功描绘了强力。这两个理论至今为止取得了巨大的成功。

但遗憾的是，这两个理论均未涉及重力。在理论的任何描述中，都默认重力不存在。

因此，如何将重力理论融入量子物理学，成为了科学家们面临的挑战。

虽然广义相对论很好地阐释了重力的本质，但它仅在宏观层面上进行了描述，未能在微观世界中揭示重力的真谛，因此它并不是量子领域中的完美理论。

例如，根据广义相对论的预测，黑洞中心存在奇点，但广义相对论无法解释这一奇点。这表明，在微观领域，广义相对论对重力的解释并不准确，尽管它在宏观世界中取得了巨大的成功。

因此，量子重力理论成为了科学家们追求的目标，亦即将广义相对论量子化，试图在微观世界中也让广义相对论取得成功。基于这一思路，科学家们提出了圈量子引力理论和量子场论，并衍生出了前沿的（超）弦理论。

然而，科学家们发现，无论这些理论如何精妙，它们离心中的完美理论仍有一段距离，寻找一个更加完美的量子重力理论成为了科学家们不懈追求的目标。