广义相对论与量子力学的根本矛盾是什么?
量子力学实际是遵循牛顿创立的范式,时空作为物理过程的一个描述背景,时空本身并不掺和到物理过程之中。这实际是一种理论范式,或者叫一种理论规范。
广义相对论则不同,物理过程和时空是掺和在一起的。这确实能够解决很多问题,但是越往前走就发现越困难。
相对论实际不只是一个理论,而是另外创立了一套理论范式,把物理过程和时空互相混合在一起了。
但是,其它的理论,力学、热力学、电磁学、量子力学,都是遵循牛顿范式。
要把力学、热力学、电磁学、量子力学,这些理论和广义相对论合在一起,就存在巨大的障碍。
这个实际好比完全不同的操作系统,完全类似。不同操作系统的东西,都要重写代码,才能在另外一个操作系统中运行。不同操作系统的程序,是没法直接在另外的操作系统中运行的。要么在两个操作系统之外,再创建一个第三方的操作系统虚拟层,比如java虚拟机之类的,才能做到程序移植性。实际物理理论,也是同样的模式。一个物理理论,就是人类创造的一种操作系统。
量子力学和相对论的根本矛盾在于以下两个公式:
第一个是量子力学中著名的德布罗意关系,它意味着量子力学中「高(低)能量」与「小(大)尺度」之间的直接关系,也是高能物理中紫外(UV)和红外(IR)两个术语的来源。
而第二个是广义相对论中史瓦西半径与 ADM 质量的关系,它意味着越大的质量对应着越大的尺度,与量子力学的基本规律相反。
简单来说就是,从量子力学角度看,你会认为一个自由度含有的能量越大,它的波长会越小;但当它小于能量对应的史瓦西半径时就会产生黑洞,继续增加能量反而会对应越来越大的黑洞。过渡的区间是量子引力非平凡的部分,主要涉及到 UV-IR 联系,黑洞熵与全息原理。
所谓引力理论的不可重整性并不是问题的关键。一般的不可重整理论不会有对量子力学基本原则如此彻底的违反,不可重整性应该只是这个本质矛盾的一个表现而已。