不懂 量子力学（量子力学解释不了）

作者：太空生物学·黄媂

引力，是什么？

它能够控制恒星的运动，它可以制造黑洞，它可以让苹果掉下来，这些都是引力的功劳，但是仔细想一想引力的本质到底是什么？

虽然引力在宇宙中存在的非常普遍了，但是和其他几种基本作用力的工作模式比较一下，立刻就会发现引力是非常另类的，首先最重要的就是引力和强核力，弱核力，还有电磁力相比，引力是非常弱的，而且它只能让物体互相吸引，但不能让物体互相排斥，这还只是引力的特点和怪异，如果站在量子力学的角度看待引力，事情就变得更加怪异了，目前为什么会对引力感到非常苦恼？

因为，理解世界万物的关键在于掌握其运行模式到能够探究宇宙最底层的运行模式的时候，就可以用这个模式来预测未来，物理学就是想通过模式来理解宇宙和宇宙中的物质，这也是为什么物理学家会如此痴迷于寻找一个“大一统理论”的原因，但是引力的不合群是实现这个愿望非常大的一个阻碍，现在就来说说“引力的怪异”。

怪异的——引力

从最直观的角度讲，之所以能够站在地球上而不会被地球射向太空，原因就是因为有——“引力”，如果没有引力，整个宇宙会变成一团漆黑，而且充满尘埃和气体的混沌体，没有恒星，也没有星星，就更不会存在生命了，引力的存在非常广泛，但是它的力道是非常的弱，到底有多弱呢？

相对于其他三种基本作用力，它的强度大约是 1/10^36倍，这么大的数字实际上我们已经完全理解不了了，不过可以粗略地这样理解（整个宇宙中所有原子的数量大概是10^84个），那引力比其他力弱的倍数就是10^36，从一个小实验就可以直观地理解引力到底有多弱了，实验如下：

随便拿起一块磁铁吸住一颗直径1CM的小铁球，这个时候小小的一块磁铁给1CM小铁球施加的电磁力，对抗着整个地球对1CM小铁球的引力。一块小磁铁就可以对抗整个行星的引力，可见引力比电磁力要弱多少！

既然引力这么弱，为什么它在我宇宙中这么重要，为什么不应该把它忽略不计呢？

从直观的角度讲，如果一个东西比另外一个东西弱了10^36倍，那它就应该被完全碾压了，不是吗？

答案是：在超大的尺度和超大质量的情况下，引力就会变得非常重要，在4种基本作用力中“强核力”和“弱核力”都是短程力，一般只在亚原子制度上起作用，“电磁力”是长程力，但它为什么不能成为主宰恒星和行星运动的作用力呢，因为“引力”有一项有趣的属性，“引力”是单向作用力，它只会使物体相互吸引，而不会使它们相互排斥。

引力的大小和物体的质量成正比，而质量不能是负的，与之相反，“电磁力”拥有两种类型的电荷（正电荷和负电荷），同样，“弱核力”和“强核力”也有类似的属性，它们叫“超荷”和“色荷”，它们同样有多种数值，可以把质量当做粒子的引力荷（类似于电荷），它决定了这个粒子会受到多强的引力，但是在宇宙里质量是不可以复制的，所以引力不会使粒子相互排斥，这一点就非常重要了，这意味着不同粒子之间的引力它们永远不能抵消，而是会一直叠加下去，在大尺度上电磁力是可以互相抵消的。

举例说明：

如果太阳它只带正电荷，而地球上所有的东西都只带负电荷，那它们之间的电磁力就会非常的大，这个大小会远远超过引力，但是从统计学上来讲，地球上所有的粒子正电荷和负电荷基本上数量各占一半，太阳差不多也是这样的，所以太阳和地球之间既有相互吸引的电磁力，也有相互排斥的电磁力，这两个力就互相抵消了。

在强大电磁力的作用下，电荷会被反复调整，直到所有残余的不平衡都会消失，这个调整的过程大概在宇宙诞生40万年左右 就已经完成了，几乎所有的宏观物质都以中性的形态存在，电磁力也在星球内部达到了平衡，所以很难在这个宇宙中找到一个自然形成的宏观物体整体是带正电的或者是带负电的。

既然地球和太阳之间的电磁力总体为0，强核力和弱核力又是短程力它们钩不到，那剩下的就只有引力了，这就是引力在行星和恒星尺度上成为主导的原因，其他的作用力都达到了平衡态，或者谁也勾不到谁，而引力只和两个参数有关，就是两个物体的质量和它们之间的距离，由于质量不能为负，所以两个物体之间的引力会随着它们有质量的粒子数的增加，而不停的增加。

总结一下

引力，有两个特性：

第1个特性：它和其他几种基本作用力比起来非常的弱。

第2个特性：其他的作用力是双向的，它们会根据物体的属性彼此吸引或者彼此排斥，只有“引力”通通表现为互相吸引。

这种明显的不一致意味着它不符合现有的对宇宙认知的模式，或者还有什么重要的内在逻辑我们没有发现，事实证明确实是这样，在更深的层次，引力也显得非常的怪异。

目前的量子力学解释不了“引力”的本质

目前的量子力学是作为同时解释所有物质粒子和三种基本作用力的一个最好的框架，在量子力学里所有的东西都可以用粒子来描述，无论是东西还是它们之间的作用力都可以被切成非常小的粒子，这种基本的粒子就叫做量子，当一个电子推动另外一个电子的时候，它并没有使用某种看不见摸不到的力，或者是某种奇妙的心灵感应来驱动对方，这种相互作用来自于一个电子，向另外一个电子传递出了某种粒子，这种粒子可以转移一部分的动量。

在电子之间传递作用的东西是“光子”，在弱相互作用下粒子交换的是“W玻色子”和“Z玻色子”，在强相互作用下粒子之间交换的是“胶子”，这个粒子物理的标准模型可以成功解释非常多的自然现象，用量子粒子的方式看待这个世界，在实验室中看到的现象都可以得到解释，也可以预言未来能看到的东西（还没有找到的物质粒子或者是“希格斯玻色子”）。

量子力学甚至可以解释弱核力为什么是短程力，因为搬运这种力的粒子质量很大，这就限制了它们的运动距离，然而标准模型有一个很大的问题，用这个理论它不能很好的解释引力，也许你觉得科学发展到现在，已经没有什么解释不了的东西了，但是偏偏是最常见的“引力”，目前的量子力学解释不了“引力”的本质，根本的原因有两个：

• 第1个：如果要把引力，融入标准模型，那就需要一种粒子来传递引力——“引力子”，如果有这种东西存在，那就意味着你被引力吸引的时候，你身体里的每一个粒子和地球所有的粒子都在持续相互的传递着某种东西，但问题是从来没有人观测到“引力子”的存在，所以这个理论也可能完全是错的。
• 第2个：就是已经有了一个理论，它可以很好的解释引力，这个理论就是爱因斯坦在1915年提出来的广义相对论，它自身已经非常完美了，广义相对论从一个全新的角度来诠释引力，爱因斯坦认为“引力”不是两个物体之间的相互作用，而是空间自身扭曲的结果。

如果把空间想象成某种柔软的流体，而不是一个抽象的空的概念，引力就可以变得很简单了，因为质量或者能量的存在会弯曲它周围的空间，从而就改变物体的运动轨迹，在这个理论里引力它不是一种力，而是时空弯曲的一种表象，，在这里面物质和空间之间它们是不存在某种力的，广义相对论认为地球之所以围绕着太阳转而没有飞向遥远的太空，并不是因为地球被某种力困在了太阳的轨道上，围着太阳转是因为太阳周围的空间以某种方式弯曲了，地球在这个弯曲的空间里，以为自己是沿着一条直线运动的，实际上它是沿着一个椭圆来运动的。最常规的一个比喻就是，把空间想象成一个有弹力的弹跳床，当你把太阳放在上面的时候，弹跳床会整体的向下凹陷，然后你在上面弹动一个小球，这个小球本来是沿直线运动的，但是当它来到太阳周围的时候，因为空间本身也就是弹跳床它被弯曲了，这个小球也会呈一个弯曲的弧线来做运动，但这个过程中并没有某种力拽着这个小球让它绕着太阳运动，当然这只是一个直观的比喻，实际上真实的情况是用数学来描述的。

这样一来，引力质量不再被看作部分粒子有某种特殊的”荷子“，它衡量的是一个物体可以多大程度的弯曲它周围的空间，尽管这个说法很诡异，但是它成功的解释了局部引力，宇宙尺度的引力以及很多太空中奇妙的景象。

目前没有办法把“广义相对论/量子力学”两个理论合并到一起

相对论，是一个非常伟大的理论，它预言了黑洞的存在，解释了天体运转的道理，还为我们提供了GPS定位，但是这里有一个问题，广义相对论非常完美，量子力学也非常的完美，但是目前没有办法把这两个理论合并到一起，这两个理论之所以很难统一，有一部分原因是它们是从完全不同的视角理解这个世界的。

量子力学——把空间看作平坦的背景，也就是空间不会弯曲。

广义相对论——空间是动态的，有弹性的，它是一个事物。

再往深层讲，相对论判断引力是一种现象，是一种时空弯曲的现象，而量子理论看待任何的力都是空间中飞来飞去的小球造成的，那么如果我们的宇宙中除了引力之外，所有的东西都是符合量子力学的，那引力也应该遵循同样的规则呀，可惜的是直到目前为止，还没有任何证据证明“引力子”是真实存在的，更大的问题是我们甚至没法想象这两套理论合二为一之后，量子理论它会变成什么样子。

量子物理学家先预测某种粒子的存在，然后通过实验找到证实，比如说顶夸克和希格斯玻色子都是这样被发现的，但是一旦物理学家想从数学的角度统一这两个理论的时候，就从来没有成功过，相反他们会抛出很多荒唐的结论，比如说“无穷大的量”。目前来说“弦理论”是最有希望统一相对论和量子物理的，但是目前弦理论”的进展还非常缓慢，而且还只是停留在理论阶段，还没有找到任何的证据。

引力还是有很多谜团的

当然关于引力的谜团不会永远就这么呆下去，总得做点更深入的研究，目前有一种方法是用实验检验宇宙作用的规律，比如观测两个有质量的物体相互交换“引力子”，那就证明引力它必然是一种量子现象，那么在宇宙中有没有这样的地方，它既符合广义相对论对超大质量的描述，也符合量子力学对超小空间的描述的，还真有：

• 一个就是黑洞的内部，另一个就是宇宙大爆炸的起点，那这两个场景研究起来都非常的困难，黑洞可以进去，但是进去就出不来了，宇宙大爆炸的起点，又离我们非常遥远，你可能也经常听说科学已经研究到宇宙大爆炸刚开始的10的负多少次方秒了，人们为什么这么较真，一定要无限的逼近宇宙大爆炸的那个起点呢，这就是因为要通过对它的研究来尝试统一量子物理学和相对论。
• 另外一个比较有可能观测到的东西就是黑洞的碰撞，让两个超大质量的黑洞相互碰撞，这就是在量子层面探测引力所需要的，正在碰撞的黑洞，当两个黑洞彼此靠近的时候，双方都想要吞噬对方，它们会彼此旋转，越转越快进入一个死亡的螺旋，在这个合并的过程中可能会有“引粒子”向四面八方发射，黑洞碰撞即便产生了“引粒子”也很难被发现的，引力非常的微弱，所以即便有一个引力子在我们身边飞过，我们也几乎察觉不到它。

• 在黑洞内部存在一个叫做“奇点”的地方，在那个点上物质的质量密度非常的高，引力场的强度趋近于无穷大，时空也会弯曲成根本没法想象的形态，广义相对论认为这种“奇点”是可以存在的，但是量子理论不这样认为，根据量子理论的基本原理，物体它不可能小到只有一个孤立的点，因为在量子理论中，当一个空间变得非常小的时候，它的不确定性就会变得非常的大，所以在这种情况下，两种理论肯定有一个是错的，如果能知道黑洞内部它到底是什么样子，就能得到一个非常重要的线索，从而理解量子力学和引力是怎样相互作用的，当然这个设想实现起来难度是很高的。

“引力波”——大质量的两个黑洞在互相合并加速运动的时候，会使周围的时空产生涟漪，这种时空的波动就叫做“引力波”，简单来说运动的质量对空间产生了一定的扰动，这个扰动也会像波纹一样传播载去，当波经过的时候，沿着它路径方向的每一个物体都会被拉伸和扭曲，一个圆会瞬间变成一个椭圆，一个正方形会变成一个长方形，但是这种变形也几乎是不可能被观测到的，“引力波”能引起的时空扭曲大概是原来物体尺寸的1/10^20，换句话说如果一条直线的长度是10光年，“引力波”效应只能让直线缩短1毫米，那这个效果是很难测量的。

黄媂·结语

引力很特别，关于它为什么这么特别，目前对它还不是非常了解，也许引力本来就是特殊的，希望找到一个大一统理论，让所有的“力”都遵循一个最基本的原则，但也许这个宇宙就是这样规定的，没有规定引力必须和其他作用力相似，也不一定非要用同一套理论来解释所有的引力，对于宇宙大部分的原理都还不清楚，很多时候的假设会被推翻，或者某种理论只适用于某种特殊的情况。

也许引力和我们看到所有的东西本来就不一样，可能它并不特殊，只是宇宙就是这样来设定的，我们的目的是理解这个宇宙，我们也许应该避免先入为主的假设它应该是一个什么样子，目前存在着一种猜想，它用额外的维度来解释引力为什么这么弱，引力的强度很弱，因为它被稀释到了其他维度的空间里，形成了一些我们看不见的微小的环路，如果把其他的维度也考虑进来的话，引力强度就会变得和强核力、弱核力，还有电磁力一样的强。

揭开引力的神秘面纱，对于理解我们所在的宇宙非常重要，引力是唯一可以在宏观尺度上发挥作用力，这意味着它是决定宇宙形状和宇宙最终命运的关键作用力，我们也是通过对引力的研究发现了暗物质以及暗能量的，引力可以弯曲时空这一个事实也带来很多让人兴奋的结果，因为光速的限制，我们很可能永远没法访问太阳系以外的恒星系，因为它们之间的距离和我们航行的速度决定了人类的寿命是不足以让我们走到那么远的地方去的。

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