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量子力学■现代物理学的困境——量子力学和相对论之间的矛盾


量子力学■现代物理学的困境——量子力学和相对论之间的矛盾
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量子力学■现代物理学的困境——量子力学和相对论之间的矛盾
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万有引力就像艾萨克·牛顿爵士描述的那样：如果你跳起来 ， 万有引力就会把你拉回到地面 。 简单地说 ， 引力是一种影响和改变物体运动的力 。 至少的爱因斯坦出现之前是这样的 。
爱因斯坦通过他的广义相对论 ， 详细阐述了引力的数学公式 ， 这个力被理解为时空“不可避免的扭曲” 。 但是 ， 这种扭曲是如何发生的呢？
无论什么时候 ， 任何东西都试图以直线穿过宇宙 ， 这个物体都会沿着一个轨迹运动 ， 这个“轨迹”会被附近任何形式的质量和能量所弯曲 。 因此 ， 我们所认为的引力就是宇宙结构的曲率 。
看起来是这样 ， 但是一旦我们把这个理论应用到另一个物理领域中非常重要的理论——量子力学时 ， 问题就出现了 。
但是量化引力并没有那么难 。 我们已经把所有其他的基本力（电磁力 ， 强核力和弱核力）量化了 。 因此量化引力（基本力中最弱的）应该是小菜一碟 。 对吧？
错了！
事实上 ， 大错特错！
广义相对论的图示首先 ， 考虑下面的例子来理解为什么会这样：
一个电子遇到一个光子 。 接下来会发生什么？两个粒子会相互碰撞吗？光子能“反弹”吗？能量或动量是如何交换的？这些粒子会在第一眼就爱上对方还是讨厌对方？
现在 ， 有一些事情使这个情况变得复杂 。 例如 ， 光子可以随意产生或消灭 。 打开电灯 ， 数以万亿计的光子从灯泡中涌出 。 他们短暂地体验了生活所能提供的所有快乐和自由 ， 但当他们撞上一堵墙并被原子吸收时 ， 他们的存在就消失了 。 所以 ， 在狭义相对论中 ， 物质和能量是可以相互转换的 ， 如果能量可以被创造或毁灭 ， 那么质量也可以被创造或毁灭 。
因此 ， 我们可以同时创造光子和电子 。 你只需要一个空盒子 ， 它们就会神奇地出现 。 当然 ， 如果它们真的出现了 ， 它们会马上消失 。
但我们假设盒子里有一个粒子（假设是一个光子） ， 能随意将自身转变成电子或正电子的物质 。 同样的 ， 任何粒子也可以把自己变成光子 。 毕竟 ， 物质和能量是一回事 。 两者都能像换衬衫一样容易地转换 。
早在19世纪 ， 我们就有了物理学的“经典”图景 。 这幅画布被涂上了连续的颜色 ， 其中电磁场优雅而流畅地摆动和波动 。 但量子力学出现了 ， 它描绘的现实图景完全不同 。 量子世界不是光滑连续的场 ， 物质只能有一定数值的能量和一定数值的角动量 。
因此 ， 为了调和经典力学和量子力学 ， 我们必须创造一个概念 。 这就是量子电磁场 。
量子电磁场的艺术印象我们的猜想是存在一个贯穿时空的电磁场 。 它可以获得额外的能量 ， 然后被“捏掉” 。 就像光子一样 。 这意味着光子只是电磁场的一小部分 。 因此 ， 可以通过从电磁场的局部区域增加或减少能量来创造或消灭光子 。
从这一点我们可以论证 ， 有一个带光子的电磁场和一个带电子的电场 。 两者同时在空间中扩散 。 所以 ， 如果给电磁场增加一点能量 ， 一些光子就会蹦出来 。 相应地 ， 如果给电场增加一点能量 ， 一些电子就会跳出来 。 最后 ， 所有的事情都是一样的 ， 这解释了如何可以随心所欲地创造和破坏电子 。 它所需要的只是从能量场中增加或减少能量 。
建立了这个概念之后 ， 让我们回到最初的问题：当光子和电子碰撞时会发生什么？
现在你可以看到困难了 。 我们面对的不仅仅是一对一的直接碰撞 。 当电子和光子移动时 ， 它尔会消失 ， 然后又重新出现 ， 甚至相互转换（就像一个场向另一个场传递能量一样容易） 。 所以必须把所有可能的碰撞加起来 。


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