《宇宙的琴弦》(4) 量子力學和廣義相對論的矛盾

過去100年， 廣義相對論和量子力學讓我們探索宇宙的尺度從最大一直到最小。 人類取得了非常多了不起的成就。 但是我們也意識到， 量子力學和廣義相對論沒能達到最深層次的認識。 因為它們的適用範圍是不同的， 在一些情況下還有衝突， 比如在討論黑洞的中心、在大爆炸時刻的宇宙等方面這兩套理論存在對立矛盾面。

愛因斯坦的能量方程式告訴我們， 能量和物質是可以相互轉化， 量子力學中， 海森堡的不確定性告訴我們， 能量和動量在微觀世界中瘋狂漲落， 宇宙在微觀尺度上類似一個鬧哄哄、混沌、瘋狂的世界。 但是動量和能量在微觀世界中可以相互抵消， 因此在宏觀世界看來， 一切都是寧靜和太平的。

簡而言之， 微觀世界的混沌狀態和宏觀世界的規律性就是這兩個理論最大的矛盾點。

廣義相對論適用於巨大的天文學尺度。

在那樣的距離， 愛因斯坦的理論說明， 沒有物質意味著空間是平直的， 為了把廣義相對論與量子力學融合起來， 我們現在必須轉移關注的焦點， 去考察空間的微觀性質。 如圖所示。

我們說明了如何一點點去暴露越來越小的空間結構。 開始的時候， 看不出什麼來；看圖中底下的三層，

空間結構幾乎是一樣的形態。 從純經典的立場看， 我們以為這樣平直穩定的空間圖景會一直保持到任意的距離尺度。 但量子力學完全改變了這種想法。 萬物都擺脫不了不確定性原理所規定的量子漲落——引力場也不例外。 雖然經典理論認為虛擬空間沒有引力場， 但量子力學證明， 引力場儘管在平均意義上等於零， 實際上卻因量子漲落而波蕩起伏。 另外， 不確定性原理還告訴我們， 關注的空間越小， 看到的引力場起伏越大。 量子力學展現了一個沒有絕望的世界， 越是狹小的地方， 越是浪花飛濺。

引力場通過空間的彎曲表現出來， 而量子漲落通過空間周圍越來越強烈的扭曲表現自己。

物理學家惠勒發明用“量子泡沫”來描述超微的空間和時間裡表現出來的混沌狀態， 在那個尺度上， 空間和時間都失去了意義。 在這個尺度上， 正是量子力學和廣義相對論不相容的地方。