为什么说相对论和量子学在奇点处会失效?
相对论有自己的研究对象,量子力学一样。所谓奇点,是否有再说。老天爷用食指轻轻一划,摊了个煎饼宇宙,等着熟。王母娘娘饿了想吃,用簪子划了一道,你看见了。在煎饼被吃之前,始终都是大致走向成熟的煎饼,没有什么大奇点。
原创思想,迄今为止的一切物理理论,都是用来解释物质层面的自然现象的,而所谓的`奇点’-质量奇点和能量点-光子却都是超越物质层面的,物质诞生前的存在,很显然,现在的基于物质的理论完全不能够解释物质诞生前的,非物质的存在。于是,新一轮的物理革命正在进行时。
题主说的不对,是广义相对论因为奇性存在而导致自身的不完备性。量子力学不存在奇性,因此不会出现失效这种说法。奇性问题是广义相对论迄今为止未解决的问题之一。
关于奇性问题,我觉得还是有必要讨论一下。广义相对论的奇性有两种:黑洞奇点和宇宙大爆炸奇点。这两种奇点的含义不完全相同。对于黑洞来说,尤其是经典黑洞,奇点不可避免,但是又不能暴露出来。这是因为黑洞的***视界以内的时空是时间-空间倒置的,所以一旦奇点暴露,就意味着灾难。而宇宙大爆炸的奇点则不是如此。宇宙大爆炸的奇点来自于大爆炸模型本身的特性。这里面并不存在时空倒置的情况。但是无论哪种奇性,有一点是完全一致的,那就是奇点的存在预示着广义相对论的失败!注意,我强调的是“广义相对论”而不是相对论!狭义相对论是不存在奇点,所以题主的问题本身就是错误的。【注:奇性和奇点都来自singularity,所以我一般不区分这两个词语。】
广义相对论存在奇性,说明广义相对论不是最终的理论,一定存在比广义相对论更加准确的理论,可以彻底消除奇性困难。一个可能的理论就是所谓的量子引力论。但是当代的量子引力论没有一个不是困难重重!可以说,量子引力这个潘多拉魔盒已经被打开了,但是却没有人知道如何关上潘多拉魔盒。
此外,当代物理学还有一个困难,那就是高能物理学最重要的基本模型也是不能自圆其说的。【高能物理学是量子力学和狭义相对论融合起来的产物,出现问题并不奇怪,因为量子力学和狭义相对论天生水火不容。】由此可见,当代理论物理学基本上还处于幼年期,或者说理论所达到的层次大大超出实验技术手段所能达到的层次!
这是现在物理理论的最前沿问题,现在还无法解决。我只能谈谈自己的理解。
首先这个奇点是物理上的奇点不是数学中的奇点,定义上还是有区别的,物理学上的奇点指的是空间和时间被无限压缩,密度和引力无限大的一点,在天文学上特指1946年伽莫夫的宇宙大爆炸模型的起点和广义相对论的一个解——黑洞的终点。
广义相对论是关于时空曲率的当代最准确的引力理论,但只适用于宏观宇宙,量子力学是关于微观粒子世界的物理理论,但并没有包含引力,这两大理论是不协调的,物理学家费尽心思想融合两大理论,但至今未成功。所谓的寻找大统一理论就是想统一广义相对论和量子力学,其中,超弦理论是最有希望的备选理论,但超弦理论太超前,以现在的科学技术还无法验证这个理论,想了解的可以看格林的《宇宙的琴弦》。
奇点,由于无限小(至少现在是这么认为),必定需要微观层面的量子力学描述,但奇点的超强引力,量子力学无能为力。广义相对论可以描述奇点的引力(时空曲率),但对量子层面无能为力,这就造成现在没有一种理论工具可以准确描述奇点,这是当代理论物理学的尴尬之处。
失效指的就是这个意思。同时,由于在奇点处失效,也反应了广义相对论和量子力学的缺陷,是不完整的理论,但统一两者看来好遥遥无期,也许在不远的将来,来一场20世纪初的物理学革命,那时候,可能对奇点会有更深入的了解。
答:这个问题,我只能做定性的分析,主要是因为量子力学适用于微观,广义相对论适用于宏观,而黑洞奇点是两者的极端情况。
我们知道,量子力学是描述微观世界的理论,它描述的微观世界是离散的,对于微观粒子组成的宏观物质,就不适用了,至少存在局限性。
而相对论是宏观理论,它描述的宏观世界是连续的,对于微观世界也不适用,也存在局限性。
而黑洞奇点,在目前的理论看来,具有极小的直径,还拥有巨大的质量,目前描述为密度无穷大。
可是极小尺度是量子力学的使用范畴,而巨大质量是相对论的描述范畴,两者各据一词,相对论和量子力学各自的适用范围,同时出现在了一起!
导致两个理论在描述奇点的时候,存在分歧,两者的矛盾非常突出,尤其是一个理论描述离散,一个理论描述连续,所以说两者在奇点处都失效了,两者都不能准确描述奇点的性质。
或许两者在奇点处统一成了一个理论,只是目前这个理论还未被人类知道;又或许在奇点处,所有物理学理论都失效,黑洞就是一个纯粹的破坏机器,能粉碎一切的机器。