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爱因斯坦错了吗?相对论的四维时空理论是否正确?

科学的发展,就是一个不断纠错的过程,一个理论逐渐代替另一个理论,这在物理学的历史上已经发生了很多次。

从地心说到日心说,从牛顿经典力学到相对论,每一种全新的科学理论,都在完善着整个物理体系。牛顿经典力学统治物理学近两个半世纪,直到爱因斯坦的相对论出现,夺去了牛顿力学的物理学地位。

虽然牛顿经典力学被相对论取代,但是牛顿力学依旧适用于宏观、低速运动的物体,简单漂亮的公式,依旧是物理学的必学课程。

爱因斯坦的相对论,目前取得了绝对的“优势”:

与牛顿经典力学不同,爱因斯坦认为引力是空间弯曲的结果。在宇宙中,所有物体都处在三维空间和一维时间的四维时空中,类似太阳的巨大天体,会扭曲空间,从而产生引力。

虽然相对论非常超前,但迄今为止,种种迹象都证明爱因斯坦的想法是正确的。引力波的发现,让相对论取得了绝对的优势,成为现代物理学的核心理论。人类科学水平的发展,让相对论得到了更多的验证,相对论也成功击败其他理论,进入到物理学的顶端。

然而相对论并非宇宙的真理,和牛顿经典力学一样,相对论也有可能被其他理论所替代,比如通过相对论而延伸出来的量子力学。

量子力学是一个“古怪”的理论,比如单个粒子可以同时处于两个位置,只有通过观察,才能真正确定其位置,也就是薛定谔的猫――在密封的盒子里,毒药瓶即是破碎的,也是完整的,猫即是活着的,也是死去的,只有进行观察,才能出现结果。相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱,然而这两个理论却无法相互协调。

相对论认为引力场不能出现在两个地方,并且时空会因为物质和能量而发生扭曲,然而量子力学却认为物质和能量可以处于多种状态,可以存在于多个位置,进而导致引力场的位置无法确定。

相对论可以在宏观事物上获得准确的结论,而量子力学可以得到多个结论,甚至可以得到无穷个答案,这虽然没有真正的物理意义,但也是相对论和量子力学的矛盾点。

两种理论的不一致,暗示科学家还有更加高深的理论没有被发现――大一统理论。既然相对论和量子力学都是现代物理学的支柱,找到一种新理论,让相对论和量子力学保持和平,或许就能发现大一统理论,让两种理论合二为一,共享物理学的定点。

众多大一统理论的候选中,弦理论是最著名的理论,在弦理论中,所有事物都是由微小的弦构成,弦通过不同的振动,产生各种各样的微观粒子,进而组成宏观事物。

弦理论认为宇宙存在11个维度,比相对论多7个维度:

微小的弦想要通过振动产生足够类型的微观粒子,那么这些弦至少需要在11个维度振动,这比爱因斯坦的四维时空多了7个维度。

可惜的是,高维度空间对于人类来说是完全未知而且无法干预的领域,因此额外的7个维度无法观测,也无法证明,除非人类可以超越目前的四维时空,进入到更高维度的空间。

由于弦理论过于超前,而且无法观察和证明,因此很多科学家并不认同弦理论,而且在未来很长一段时间里,弦理论也很难有实质上的突破。

总结:

物理学的发展,存在不断纠错、存在新理论代替旧理论,但是和牛顿经典力学的时期不同,物理学目前基本到达了人类的极限。

日心说到地心说,经典力学到相对论,在物理学尚未成型之前,富有独创性的新理论是物理学革新的主要方式,然而相对论的出现,预测了物理学遥远的未来,这让新理论的形成速度大大放缓,并且量子力学、弦理论,都是从现有理论中延伸出来的分支。

或许未来的大一统理论并非是一个新理论,而且在相对论以及量子力学的基础上,不断完善的“大一统整合理论”!