提到相對(duì)論和量子力學(xué)，可謂無人不知無人不曉，因?yàn)檫@兩個(gè)理論是現(xiàn)代物理學(xué)大廈的兩大基石。相對(duì)論統(tǒng)治著廣袤無垠的宏觀世界，從天體的運(yùn)行軌跡到宇宙的浩瀚結(jié)構(gòu)，都遵循著它的規(guī)律；而量子力學(xué)則主宰著神秘莫測的微觀世界，深入到原子、分子乃至更小的基本粒子領(lǐng)域，揭示著微觀世界獨(dú)特的運(yùn)行法則。

但我們都知道，直到今天，相對(duì)論和量子力學(xué)也并沒有完全融合在一起，兩者并不協(xié)調(diào)。那么相對(duì)論和量子力學(xué)到底存在著什么矛盾呢？

簡單講，相對(duì)論屬于經(jīng)典理論，而量子力學(xué)屬于量子理論，兩者有什么區(qū)別呢？

經(jīng)典理論認(rèn)為宇宙萬物都是可描述的，可預(yù)測的，也都是連續(xù)的。這一觀念深深植根于人類對(duì)自然規(guī)律的長期觀察與總結(jié)。

以天氣預(yù)報(bào)為例，氣象學(xué)家通過收集大氣溫度、濕度、氣壓等大量數(shù)據(jù)，運(yùn)用復(fù)雜的流體力學(xué)方程和計(jì)算機(jī)模型，能夠?qū)ξ磥硖鞖鉅顩r進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述和預(yù)測。這種確定性的思維方式，讓我們相信只要掌握足夠的信息和規(guī)律，就能精準(zhǔn)預(yù)知事物的發(fā)展。

而量子理論恰恰相反，認(rèn)為我們所在的時(shí)空是不連續(xù)的，萬物都是不可預(yù)測的，是不確定的，只能用概率（波函數(shù)）來描述。在微觀世界里，這種不確定性表現(xiàn)得尤為明顯。

例如，電子在原子核外的運(yùn)動(dòng)就無法像經(jīng)典物理中描述行星運(yùn)動(dòng)那樣，確定其精確的軌跡。我們只能通過波函數(shù)計(jì)算出電子在某一位置出現(xiàn)的概率，這種概率性的描述徹底顛覆了傳統(tǒng)的確定性認(rèn)知，為我們打開了一扇全新認(rèn)識(shí)世界的大門。

下面來具體講一講相對(duì)論和量子力學(xué)的 “前世今生”。

相對(duì)論分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論是基于 “光速不變?cè)怼?和 “相對(duì)性原理” 兩大前提的基礎(chǔ)上提出來的。

19 世紀(jì)末，物理學(xué)家們?cè)谘芯侩姶努F(xiàn)象時(shí)，麥克斯韋方程組橫空出世，它完美地統(tǒng)一了電與磁的規(guī)律，并預(yù)言了電磁波的存在，且電磁波在真空中的傳播速度（即光速）只與真空的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān)，與參照系無關(guān)。

這一結(jié)論與當(dāng)時(shí)盛行的伽利略變換（簡單說就是速度的疊加）發(fā)生了尖銳矛盾，也與牛頓的經(jīng)典物理體系產(chǎn)生了巨大沖突。按照伽利略變換，一個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)的火車上向前拋出一個(gè)球，球的速度應(yīng)該是火車的速度加上球拋出的速度，但光速卻不遵循這一規(guī)律，無論在怎樣的參照系下，光速始終保持恒定。

這說明麥克斯韋方程組與牛頓經(jīng)典力學(xué)（伽利略變換）之間必然有一個(gè)是錯(cuò)誤的。

愛因斯坦憑借著非凡的洞察力和大膽的創(chuàng)新精神，經(jīng)過長達(dá)十年的深入思考（過程充滿了無數(shù)次的思想碰撞和理論推導(dǎo)，這里難以詳盡闡述），在 1905 年提出了狹義相對(duì)論。

他摒棄了牛頓絕對(duì)時(shí)空觀，提出了自己的時(shí)空觀，認(rèn)為時(shí)間和空間并不是絕對(duì)的，而且兩者是有機(jī)的整體，是不可分割的。這種思想完全顛覆了統(tǒng)治幾百年的牛頓經(jīng)典時(shí)空觀，因?yàn)榕ｎD認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的，同時(shí)兩者是分開的，時(shí)間和空間沒有任何關(guān)系。

這里需要強(qiáng)調(diào)一下，狹義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間和空間是相對(duì)的，但并不是時(shí)空是相對(duì)的。其實(shí)在狹義相對(duì)論里，時(shí)空并不是相對(duì)的，而是絕對(duì)的，說白了，“事件” 本身是絕對(duì)的。

何為 “事件”？舉個(gè)例子，你花了 5 分鐘時(shí)間看完了這篇文章，這就是一個(gè) “事件”，這個(gè)事件在不同的慣性系中，其發(fā)生的先后順序和時(shí)間間隔可能會(huì)有所不同，但事件本身的因果關(guān)系和基本性質(zhì)是不變的，從這個(gè)意義上講，“事件” 是絕對(duì)的。

狹義相對(duì)論成功解決了高速運(yùn)動(dòng)物體的力學(xué)和電磁學(xué)問題，但愛因斯坦并未滿足于此。他進(jìn)一步思考引力的本質(zhì)，經(jīng)過多年努力，于 1915 年提出了廣義相對(duì)論。

廣義相對(duì)論是建立在狹義相對(duì)論基礎(chǔ)上，加入了引力的概念，從慣性系推廣到所有參照系。廣義相對(duì)論表明，時(shí)空并不是平坦的，而是彎曲的。愛因斯坦通過等效原理，將引力與加速度聯(lián)系起來，提出所謂的引力并不存在，它只是時(shí)空彎曲的外在表象而已。可以這樣簡單詮釋：時(shí)空告訴物體如何運(yùn)動(dòng)，而物體告訴時(shí)空如何彎曲。

例如，太陽的巨大質(zhì)量使得周圍的時(shí)空發(fā)生彎曲，地球等行星在彎曲的時(shí)空中沿著測地線運(yùn)動(dòng)，這在我們看來就像是受到了太陽的引力作用。廣義相對(duì)論成功解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)等經(jīng)典物理無法解釋的現(xiàn)象，還預(yù)言了引力波、黑洞等神奇的天體和現(xiàn)象，極大地拓展了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。

下面說說量子力學(xué)。

19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初，物理學(xué)界接連遭遇了兩朵 “烏云”，其中之一就是黑體輻射問題。普朗克為了解決這一難題，在 1900 年提出了能量量子化假說，認(rèn)為能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，這一假說拉開了量子力學(xué)發(fā)展的序幕。隨后，愛因斯坦提出光量子假說成功解釋了光電效應(yīng)，玻爾建立了氫原子模型，這些理論的提出逐漸構(gòu)建起了量子力學(xué)的雛形。

隨著量子力學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了不同的分支，比如說量子色動(dòng)力學(xué)，量子電動(dòng)力學(xué)。量子電動(dòng)力學(xué)誕生于 20 世紀(jì) 20 年代末 30 年代初，它將量子力學(xué)、狹義相對(duì)論和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，能夠精確地描述電磁相互作用，成功解釋了電子與光子的相互作用過程，在微觀電磁領(lǐng)域取得了巨大成功，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量高度吻合，誤差甚至可以小到十億分之一量級(jí)。

量子色動(dòng)力學(xué)則是在 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的，它統(tǒng)一了弱力和電磁力，描述了夸克和膠子之間的強(qiáng)相互作用，解釋了原子核內(nèi)部質(zhì)子和中子結(jié)合的奧秘，以及粒子物理中眾多奇特的現(xiàn)象。這兩個(gè)力學(xué)目前來說非常成功。

但唯獨(dú)遺憾的是，這兩個(gè)理論中都沒有涉及引力，理論中的任何描述都以 “引力不存在” 為前提。這是因?yàn)榱孔恿W(xué)的基本框架是基于量子場論，在量子場論中，各種相互作用都被描述為粒子的交換，然而引力子（假設(shè)的傳遞引力的粒子）卻遲遲未能在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)，而且將引力納入量子場論的嘗試會(huì)遇到嚴(yán)重的數(shù)學(xué)困難，如計(jì)算過程中出現(xiàn)無窮大等問題。

所以，如何把引力理論加入量子力學(xué)，成為擺在科學(xué)家們面前的難題。

廣義相對(duì)論雖然很好地詮釋了引力的本質(zhì)，但由于廣義相對(duì)論只是在宏觀上進(jìn)行了描述，并沒有在微觀世界詮釋引力的本質(zhì)，這并不是量子力學(xué)下的完美理論。

比如說，根據(jù)廣義相對(duì)論的預(yù)測，黑洞中心存在奇點(diǎn)，在奇點(diǎn)處，物質(zhì)的密度無限大，時(shí)空的曲率也無限大，所有已知的物理定律都將失效，廣義相對(duì)論并不能詮釋奇點(diǎn)。這也說明，廣義相對(duì)論對(duì)于引力的詮釋，在微觀世界是不正確的，雖然它在宏觀領(lǐng)域如此成功。

于是，量子引力理論成為科學(xué)家們追求的目標(biāo)，也就是將廣義相對(duì)論量子化，力求在微觀世界也讓廣義相對(duì)論很成功。按照這個(gè)思路，科學(xué)家們相繼提出了圈引力理論和量子場論，同時(shí)還引申出了更前沿的（超）弦理論。

圈引力理論嘗試將時(shí)空本身進(jìn)行量子化，把空間看作是由離散的 “圈” 組成的網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)這些圈的量子態(tài)進(jìn)行研究來描述引力。量子場論則試圖在已有的量子場論框架上進(jìn)行拓展，引入新的概念和方法來處理引力問題。而超弦理論則更加大膽和富有想象力，它認(rèn)為組成宇宙萬物的基本單元不是點(diǎn)粒子，而是極其微小的弦，這些弦的不同振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)著不同的基本粒子和相互作用，包括引力。

超弦理論在數(shù)學(xué)上展現(xiàn)出了強(qiáng)大的統(tǒng)一性，似乎有潛力將相對(duì)論和量子力學(xué)完美融合，但它也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如需要在十維甚至更多的維度中才能自洽，而這些額外維度在現(xiàn)實(shí)世界中尚未被觀測到。

但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，無論哪種理論，距離他們心目中的完美理論還很遠(yuǎn)，尋找更加完美的量子引力理論也成為了科學(xué)家們奮斗的目標(biāo)。這一探索之路充滿了未知和挑戰(zhàn)，但也正是這種挑戰(zhàn)，激勵(lì)著一代又一代物理學(xué)家不斷前行，因?yàn)橐坏?shí)現(xiàn)相對(duì)論和量子力學(xué)的完美融合，我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)將達(dá)到一個(gè)全新的高度，或許能夠揭開宇宙誕生、黑洞奧秘等眾多未解之謎的神秘面紗。