提到相对论和量子力学，可谓无人不知无人不晓，因为这两个理论是现代物理学大厦的两大基石。相对论统治着广袤无垠的宏观世界，从天体的运行轨迹到宇宙的浩瀚结构，都遵循着它的规律；而量子力学则主宰着神秘莫测的微观世界，深入到原子、分子乃至更小的基本粒子领域，揭示着微观世界独特的运行法则。

　　但我们都知道，直到今天，相对论和量子力学也并没有完全融合在一起，两者并不协调。那么相对论和量子力学到底存在着什么矛盾呢？

　　简单讲，相对论属于经典理论，而量子力学属于量子理论，两者有什么区别呢？

　　经典理论认为宇宙万物都是可描述的，可预测的，也都是连续的。这一观念深深植根于人类对自然规律的长期观察与总结。

　　以天气预报为例，气象学家通过收集大气温度、湿度、气压等大量数据，运用复杂的流体力学方程和计算机模型，能够对未来天气状况进行较为准确的描述和预测。这种确定性的思维方式，让我们相信只要掌握足够的信息和规律，就能精准预知事物的发展。

　　而量子理论恰恰相反，认为我们所在的时空是不连续的，万物都是不可预测的，是不确定的，只能用概率（波函数）来描述。在微观世界里，这种不确定性表现得尤为明显。

　　例如，电子在原子核外的运动就无法像经典物理中描述行星运动那样，确定其精确的轨迹。我们只能通过波函数计算出电子在某一位置出现的概率，这种概率性的描述彻底颠覆了传统的确定性认知，为我们打开了一扇全新认识世界的大门。

　　下面来具体讲一讲相对论和量子力学的 “前世今生”。

　　相对论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论是基于 “光速不变原理” 和 “相对性原理” 两大前提的基础上提出来的。

　　19 世纪末，物理学家们在研究电磁现象时，麦克斯韦方程组横空出世，它完美地统一了电与磁的规律，并预言了电磁波的存在，且电磁波在真空中的传播速度（即光速）只与真空的介电常数和磁导率有关，与参照系无关。

　　这一结论与当时盛行的伽利略变换（简单说就是速度的叠加）发生了尖锐矛盾，也与牛顿的经典物理体系产生了巨大冲突。按照伽利略变换，一个物体在运动的火车上向前抛出一个球，球的速度应该是火车的速度加上球抛出的速度，但光速却不遵循这一规律，无论在怎样的参照系下，光速始终保持恒定。

　　这说明麦克斯韦方程组与牛顿经典力学（伽利略变换）之间必然有一个是错误的。

　　爱因斯坦凭借着非凡的洞察力和大胆的创新精神，经过长达十年的深入思考（过程充满了无数次的思想碰撞和理论推导，这里难以详尽阐述），在 1905 年提出了狭义相对论。

　　他摒弃了牛顿绝对时空观，提出了自己的时空观，认为时间和空间并不是绝对的，而且两者是有机的整体，是不可分割的。这种思想完全颠覆了统治几百年的牛顿经典时空观，因为牛顿认为时间和空间是绝对的，同时两者是分开的，时间和空间没有任何关系。

　　这里需要强调一下，狭义相对论认为时间和空间是相对的，但并不是时空是相对的。其实在狭义相对论里，时空并不是相对的，而是绝对的，说白了，“事件” 本身是绝对的。

　　何为 “事件”？举个例子，你花了 5 分钟时间看完了这篇文章，这就是一个 “事件”，这个事件在不同的惯性系中，其发生的先后顺序和时间间隔可能会有所不同，但事件本身的因果关系和基本性质是不变的，从这个意义上讲，“事件” 是绝对的。

　　狭义相对论成功解决了高速运动物体的力学和电磁学问题，但爱因斯坦并未满足于此。他进一步思考引力的本质，经过多年努力，于 1915 年提出了广义相对论。

　　广义相对论是建立在狭义相对论基础上，加入了引力的概念，从惯性系推广到所有参照系。广义相对论表明，时空并不是平坦的，而是弯曲的。爱因斯坦通过等效原理，将引力与加速度联系起来，提出所谓的引力并不存在，它只是时空弯曲的外在表象而已。可以这样简单诠释：时空告诉物体如何运动，而物体告诉时空如何弯曲。

　　例如，太阳的巨大质量使得周围的时空发生弯曲，地球等行星在弯曲的时空中沿着测地线运动，这在我们看来就像是受到了太阳的引力作用。广义相对论成功解释了水星近日点进动等经典物理无法解释的现象，还预言了引力波、黑洞等神奇的天体和现象，极大地拓展了人类对宇宙的认知。

　　下面说说量子力学。

　　19 世纪末 20 世纪初，物理学界接连遭遇了两朵 “乌云”，其中之一就是黑体辐射问题。普朗克为了解决这一难题，在 1900 年提出了能量量子化假说，认为能量不是连续的，而是一份一份的，这一假说拉开了量子力学发展的序幕。随后，爱因斯坦提出光量子假说成功解释了光电效应，玻尔建立了氢原子模型，这些理论的提出逐渐构建起了量子力学的雏形。

　　随着量子力学的发展，出现了不同的分支，比如说量子色动力学，量子电动力学。量子电动力学诞生于 20 世纪 20 年代末 30 年代初，它将量子力学、狭义相对论和经典电动力学相结合，能够精确地描述电磁相互作用，成功解释了电子与光子的相互作用过程，在微观电磁领域取得了巨大成功，其计算结果与实验测量高度吻合，误差甚至可以小到十亿分之一量级。

　　量子色动力学则是在 20 世纪 70 年代发展起来的，它统一了弱力和电磁力，描述了夸克和胶子之间的强相互作用，解释了原子核内部质子和中子结合的奥秘，以及粒子物理中众多奇特的现象。这两个力学目前来说非常成功。

　　但唯独遗憾的是，这两个理论中都没有涉及引力，理论中的任何描述都以 “引力不存在” 为前提。这是因为量子力学的基本框架是基于量子场论，在量子场论中，各种相互作用都被描述为粒子的交换，然而引力子（假设的传递引力的粒子）却迟迟未能在实验中被发现，而且将引力纳入量子场论的尝试会遇到严重的数学困难，如计算过程中出现无穷大等问题。

　　所以，如何把引力理论加入量子力学，成为摆在科学家们面前的难题。

　　广义相对论虽然很好地诠释了引力的本质，但由于广义相对论只是在宏观上进行了描述，并没有在微观世界诠释引力的本质，这并不是量子力学下的完美理论。

　　比如说，根据广义相对论的预测，黑洞中心存在奇点，在奇点处，物质的密度无限大，时空的曲率也无限大，所有已知的物理定律都将失效，广义相对论并不能诠释奇点。这也说明，广义相对论对于引力的诠释，在微观世界是不正确的，虽然它在宏观领域如此成功。

　　于是，量子引力理论成为科学家们追求的目标，也就是将广义相对论量子化，力求在微观世界也让广义相对论很成功。按照这个思路，科学家们相继提出了圈引力理论和量子场论，同时还引申出了更前沿的（超）弦理论。

　　圈引力理论尝试将时空本身进行量子化，把空间看作是由离散的 “圈” 组成的网络，通过对这些圈的量子态进行研究来描述引力。量子场论则试图在已有的量子场论框架上进行拓展，引入新的概念和方法来处理引力问题。而超弦理论则更加大胆和富有想象力，它认为组成宇宙万物的基本单元不是点粒子，而是极其微小的弦，这些弦的不同振动模式对应着不同的基本粒子和相互作用，包括引力。

　　超弦理论在数学上展现出了强大的统一性，似乎有潜力将相对论和量子力学完美融合，但它也面临着诸多挑战，如需要在十维甚至更多的维度中才能自洽，而这些额外维度在现实世界中尚未被观测到。

　　但科学家们发现，无论哪种理论，距离他们心目中的完美理论还很远，寻找更加完美的量子引力理论也成为了科学家们奋斗的目标。这一探索之路充满了未知和挑战，但也正是这种挑战，激励着一代又一代物理学家不断前行，因为一旦实现相对论和量子力学的完美融合，我们对宇宙的认识将达到一个全新的高度，或许能够揭开宇宙诞生、黑洞奥秘等众多未解之谜的神秘面纱。

　　编辑：陈方

　　一审：李慧

　　二审：汤世明

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