量子力学和相对论的5个核心矛盾,为什么没统一?【第7集下:时空】

道可道Science:
回答几个小疑问： 1.视频封面为什么放杨振宁？因为量子力学的终极进阶理论是“标准模型”，杨振宁是标准模型的奠基者。这个视频里面所有出现的“量子力学”其实都是“标准模型”。量子力学和相对论的冲突本质上是：“标准模型”和“广义相对论”之间的冲突。我在第6集(下)科普了“广义相对论”、第7集(上)科普了“标准模型”，感兴趣的可以自己去看一下，比这一集有深度。 2.骰子到底念什么？新华字典里面说念tou，色字才年shai。 3.关于信息守恒，量子力学里面的信息跟日常生活信息有一点区别（区别不大）。量子力学认为 所有的信息都在“波函数”里面，信息守恒指的是：一个物理系统在某个时刻的完整“波函数” 会决定其之后任意时刻的状态。 4.量子力学为什么是“牛顿时空观”。因为“标准模型”的时空是一种“固定时空背景的微扰”，因此“标准模型”还是用牛顿的那一套思路——把时空当做一种外在的背景。因为“标准模型”已经把狭义相对论融合进去了，所以“标准模型”不是“牛顿的绝对时空观”，而是“把时空当外在背景 粒子在这个背景里运动”。 最后别忘了点赞、投币，方便的话转发给你 认识的物理学的比较好的同学，这一集对他来说 一定有非常大收获[doge][doge][doge]

【回复】我是物理专业，感觉讲的通俗易懂
【回复】一直以为物理学的终极问题是宇宙大一统问题，就是四大基本力统一。据说现在唯一没有统一的就是万有引力。不过刚才百度了一下，好像量子力学和相对论的矛盾替代了宇宙大一统，或者说同一个问题换了个思考方式和名称。 不过在查宇宙大一统时，有个人的观点非常有意思：宇宙世界的大一统，就是能量。质量、速度、物质、各种场，波、重力、引力、光子，都是能量的外在表现，最终都归在能量之下。换我的理解就是就像世间物质都是由能量转化而来。万物的本质依旧是能量也追寻能量的法则。 E=mc² 换个假设，宇宙只有能量而没有物质。是不是就大一统了。量子力学和相对论还有吗？
道可道Science:
昨天忙，没时间回复。 1.你说的“时空不能量子化”只是一个结果，如果继续追究根源的话，就会追究到视频里说的 不确定性原理和黎曼几何的光滑时空之间的矛盾。 2.信息在黑洞蒸发只是一个粗略的解释，目前还有争议的。有认为信息逐渐蒸发、有的认为信息在黑洞蒸发结束是瞬间释放、弦论还甚至认为信息会被存储到高维空间，因此这个问题目前还没完全解决。 3. 概率和因果不是量子力学的内部问题。广义相对论的方程是决定性的，只要知道了边界条件，演化就唯一了，这就是为什么说 “广义相对论”是决定论的原因。 4.至于量子纠缠超光速的非定域性，广义相对论不允许出现“超距作用”，所以他俩肯定有冲突的，这也是最近今年出现的“EPR=ER猜想”的原因。目前来看这个问题只能在弦论里面解决，弦论把 互相纠缠的粒子看成高维空间的同一个粒子在三维时空的两个投影。

【回复】量子纠缠不是超光速，因为广义相对论是信息传递不能超光速，量子纠缠本身并不能传递信息，他能传递信息是需要借用经典信道的，可以参考BB84协议（经典信道俗称打电话发邮件），这个过程不能超光速。而且纠缠之后还需要通过经典过程将两个纠缠原子放到两个不同位置，这个过程也是不能超光速的。所以目前量子信息领域认为量子纠缠并没有违背广义相对论，其应用价值也不是超光速的信息传递（这是很多营销号过度营销导致很多搞量子的都不明白的点），而是减少和避免量子信息中错误信息传递用的[吃瓜]
【回复】第四条可以比作一个物体在两个灯光下会有两个影子，只要高维度的本体移动，这两个投影也会动。 但是，如果只改变低维的影子又是如何影响到高维的本体的
【回复】回复 @昨夜哪壶老酒 :如果从低维手段根本无法改变影子 因为改变影子必然是本体被改变 也就是说 如果你的存在是低维 感受是低维 那么你就只能看到影子 并且无法改变影子 如果你的存在是高维 但你的感受是低维 这就可以解释只能看到影子 但是可以改变本体 从而改变影子 而在你改变本体的时候 你以为你是在改变影子 因为你没有高维的感受 其实你改变的是本体
学物理的奥德彪:
无法融合的原因就一条： 广义相对论，或许应该叫爱因斯坦引力理论，时空是几何化的；而量子力学是离散的（量子就是最小离散单位的含义），甚至空间也是离散的；除非能将几何化的时空量子化，才能将二者融合。 其它的都值得商榷： 1. 概率解释和因果解释，那是量子力学本身的问题，跟相对论木有关系。 2. 信息悖论早就被解释了——黑洞会蒸发，蒸发的部分带走了吸进去的信息，信息总体是守恒的。 3. 至于量子力学纠缠的非定域性，爱因斯坦他们搞出的EPR佯谬，现在甚至衍生出了量子通信领域，但需要注意的是量子通信并不超光速传输信息——所以还是遵循着相对论。 另外，不要随便用哲学的思考代替科学的推理计算，这个很容易因为基础不牢而滑落到民科

【回复】哲学是猜想的工具之一，正确的科学方法就是先猜想，这个猜想可以用数学猜想也可以用哲学猜想，之后的证明也可以用数学工具，当然归纳演绎法也可以，不一定要用数学公式严格的证明，才能保证猜想成立。最典型的，达尔文的进化论，就是一个猜想，然后观察骨骼化石，动物的形态，地理的变化去证明，全程几乎没用到严格的数学工具，也没有确定的公式。但你无法否认进化论是科学的。科学就是瞎猜，然后证明，在限定条件下让结论具有普适性。而且你没科学的认识什么是民科，所有的的科学结论都来自于基于归纳和演绎的瞎猜（没证明之前就是瞎猜）。科学的结论一定是某些方面证明，某些方面证否的。而民科的根本不在于瞎猜，或者说大胆的“瞎猜”是应该被鼓励的。民科的根本问题在于他们的猜想在历史上都被证否了，本质上是杠精。请不要给未证否的猜想随便扣上民科的帽子，这样不好。这个世界应该鼓励基于归纳和演绎的“瞎猜”，毕竟所有猜想在证明之前没有对错。
【回复】回复 @纽波利顿 :科学是需要站在实验数据基础上的，谁都可以瞎猜，但是要上升为结论需要普遍的实验数据和数学逻辑上的推理，理论的正确性和对错误认知的修补都会在这个过程中完成，而不是一味的用逻辑或者认识，这么做就真成了瞎猜了
【回复】回复 @纽波利顿 : 哲学是个好工具，香农的信息论就是基于哲学的猜想，数学的证明。你不能说数学没有证明香农就是错的。只能说证明之前无对无错。更不应该被扣上“民科”的帽子去打压。
hswhsw_hsw:
科普很好，但科普是用来引导群众了解相关知识的，作为一个做理论物理科研的人看到up你科普之后评论区还是各种民科发言感到痛心 难道只有想推倒能量守恒才叫民科？不，民科更重要的特征是玩弄本是严谨的概念，从而对物理更增加了刻板的印象

【回复】回复 @芽芽酱的粉丝 :物理学基本概念都建立在数学基础上，多数人没有那么高深的数学基础；并且大多数民众都没有现代科学的基本框架，只能乱猜乱想，找到它们自己内心的确定感
【回复】其实用不着感慨什么，没接受过系统理工教育的人很难有追求严谨定义的习惯，看起来民科的言论是他们感兴趣的表现，其中肯定会有年龄尚小的，有了兴趣的土壤，自然会有向更深处扎根的。你们有真才实学的，也不会期望从他们的讨论里学到什么；至于像我这样理偏工的但仍然对理论物理保持关注的，就直接无视掉他们，只看有价值的评论就行。
【回复】什么都不了解就大言不惭地讨论严谨概念，我受够科普这个现状了。等我毕业拿到教职，我要改变这个局面
芙宁娜不休独舞:
空间是并存事物间的秩序，时间是持续事物间的秩序。 时空是物质的内在关系 时间是物质的连续变化 空间是物质的共同存在 时空=物质之间的关系 如果物质都消失了 牛顿认为时空还能继续存在 莱布尼茨认为时空也会跟着消失 莱布尼茨的时空观能解释许多终极问题比如 1.宇宙大爆炸之前为什么没有时空？因为时空只是物质的附属品。(内在关系) 2宇宙外有没有时空？ 宇宙把物质膨胀到哪里哪里才会诞生时空。 3.黑洞中心时间为什么会静止？（或者说没有时间）时间是物质的连续变化，物质被黑洞把物质撵平了没有变化就没有时间。 缺点:莱布尼茨时空观只是一种哲学观念，没有明确的数学表达式，时(间) 空(间)也分的比较明确，哲学是模糊的，所以可以相信也可以不相信。

【回复】回复 @道可道Science :最大的问题就是为什么就必须要有数学表达式，数学所代表真理到底是数学本身自身固有的，还是所谓会思考智慧物质的自我思维模式的映射。
【回复】恰恰莱布尼茨的逻辑——最符合实体客观世界。哪怕没有理科公式论述 ！
Atirian:
高中生问个问题，既然相对论是时空决定论，那么假设拉普拉斯妖存在，我们可以根据任意时空状态推断前一刻的存在，那即使书被黑洞吞没应该也可复原 而量子力学是随机概率论，那么即使书被黑洞吞没，也复原不会原来状态 那为什么说量子力学信息守恒而相对论信息不守恒呢 是我对信息的理解有误吗[笑哭]

【回复】回复 @bili_26868217944 :为了表达自己的身份，如有纰漏多多担待的意思，这都不行？
【回复】黑洞奇点处相对论是不成立的，或者说所有人类已有的理论都是解决不了黑洞奇点的，你没法从黑洞通过相对论去反演
【回复】统一两者最难搞的地方就是相对论描述的引力，这是表现在宇宙尺度上的宏观现象，而量子力学描述的是微观下粒子间的相互作用，引力在这个尺度下太微小了，以至于局部下将时空认为是平直的也没有问题。 所以为了统一两者，就得去研究在粒子层面下如果引力非常强那会怎么样，也就是黑洞的奇点附近，然后就很麻烦
Ortormorti:
20世纪，物理学大厦上方出现两朵乌云，经现在经过物理学家们的不懈努力，物理学大厦上方已经乌云密布了[doge]

【回复】应该说当时只能观测到两朵乌云，经过不懈努力已经能够看到更多乌云[doge]
【回复】但是在重庆的物理学大厦上方没有一朵乌云(指高温下的重庆[脱单doge]
【回复】回复 @裤兜儿比脸白 :重庆挺凉快的，天气预报多云，才区区45°，穿拖鞋出门都不会马上就化，老凉快了，欢迎来重庆避暑嗷
执着の梦旅人:
如果用人际关系来解释，人和人之间的关系组成了社会，但是关系会慢慢远离，所以空间会膨胀。而联系比较紧密的人群会组成小群体，这个小群体越大，对周围的影响会越强烈，所以时空弯曲会越厉害[doge][doge]

【回复】俺认为时间并不存在，一切都是运动，所有人所有物体所有原子都一直在动（永远都在动，俺们只是人死了，但那些原子还存在，仍然在运动），时间一直是个强加上去的东西，可以尝试把时间这个概念忘掉，会发现好像好像确实没有时间[滑稽]每一个原子的运动构成了俺们的世界
【回复】回复 @楼上说的太妙了 :我也是这样认为的，时间只是运动的体现，本质只是一个概念
【回复】回复 @楼上说的太妙了 :确实是这样，太阳东升西落，地球公转距离太阳时远时近，钟表的运动，有了这些我们才能感受到时间的存在，现实中不存在绝对零度，可假设存在，那么在一切物质停止运动的绝对零度环境中是不存在“时间”这个概念
花吔菜:
了解了量子力学和相对论的矛盾后，算是明白了科学家们为什么执着于黑洞的研究。因为黑洞本身就是通过相对论推算出来的天体，却偏偏呈现出很多量子力学上的特征。如果哪天人类真能研究明白黑洞，或许上百年来科学家们心心念念的“大一统”理论就真能实现了

【回复】然而现在物理学界发现，相对论和量子力学之间隔着的可能远不止一层纸，而是不知道多少堵墙
【回复】只能说这个世界上的所有人，有一个算一个，在有生之年都不可能见到量子力学和相对论的统一，我感觉这需要非常漫长的过程，毕竟隔的墙太多，可能需要几代人，十几代人甚至上百代人的努力，只是真的很希望在我死之前可以看一眼终极的大统一理论是什么样子的，这个宇宙的真相到底是什么，这个宇宙从哪里来到哪里去，你要是能知道这些，让我知道了之后马上死都行，毕竟终极真理的诱惑实在是太大了，不过还有一种可能是，哪怕相对论和量子力学融合了，也依然难以窥探宇宙的真相，大统一理论可能带来更多的乌云，谁知道呢
【回复】即使没有推算出来，也会被发现，相对论只是描述我们这个宇宙
星辰残像:
也许根本不存在一种大统一理论。[doge]正如霍金在大设计中所写的，人们用一单张地图不能展现地球的整个表面。通常应用于世界地图的麦卡托投影是使北方和南方的面积显得越来越大，而且不覆盖南北两级，为了如实绘制整个地图的人们必须利用一组地图，每一张地图覆盖有限的面积，这些地图相互交叠，在交叠处他们都展现同样的风景。正如麦卡托投影中交叠的地图在不同版本交叠支出他们语言相同的现象，然而正如不存在很好的描绘整个地球表面的平坦地图一样，也不存在很好的描绘在一切情形下观测的单一理论。[doge][doge][doge]

【回复】所以对时空最实用的描述，大约就是两种乃至更多种理论对时空进行描述，并且其理论边界是可以相互妥协协调的，通过这种勉强的对时空的描述，足够我们对时空进行探索，并在探索中，慢慢发现并解释存在的，但未被发现漏洞，通过这种极限式的方式追逐对时空的真实，或者近似真实的解释。
【回复】然后目前有一种圈量子引力理论成功的将完成了时空量子化了。在此理论下，时空描述是呈背景独立，由关系性循环织成的自旋网络铺成时空几何。网络中每条边及每个节点分别为一普朗克长度及普朗克体积。循环并不存在于时空中，循环扭结的方式定义时空几何。在普朗克尺度下，时空几何充满随机的量子涨落，因此自旋网络又称为自旋泡沫（Spin foam）。在此理论下，时空是离散的。
明妃妃妃丶:
我以前接受的是牛顿的时空观，不是因为高中物理课本，而是我看康德《纯粹理性批评》接受的，他在这本书开始就讨论和确立了本书时空观前提，康德说，人可以想象空间内没有物质，但不能想象没有空间，我试着想了一下没有空间，只感觉黑茫茫的一片，也不知道是不是还在空间里面，很显然他接受的也是牛顿的一个空间观，他对于时间的想法显得有点唯心主义，他说时间是存在于人们心中的一种内感知，永恒不变，我当时感觉也有道理，根据我们人类定义的时间刻度，12345.....秒，感觉好像永远不会变化。

【回复】这只是人类感知的一种先天形式，跟鬼知道是否存在的客观世界具体是什么样的没有关系。
【回复】康德的时空观只是在这二者中偏向于牛顿，但跟牛顿还是有本质区别的。时空在康德这里是先天直观形式，确实可以想象成容器，但是它不是一种可以离开内容物的容器，也就不是一种物质。它只是在先的，认识这个世界需要基于时空的直观形式。当然最主要的是康德的自在之物不能认识的观点。
【回复】回复 @渺渺兮与还 :你这。。更像是没接触物理学的人对时空粗略的讨论。我来分析一下你的想法。你所说的灭亡是由物质间运动产生的后果，没有时间，物质间就没有运动，就不会灭亡造成，世界保持静止。按照你的意思，你这句话还可以说如果没有时间一切都不会升级。所以你这句话的本质是在用牛顿时空观解释时间是存在的这一观点。但是在牛顿时空观下，没有时间也就没有物质的相互作用，也就是没有你所说的施加外力。按照现代时空观，正是因为物质的运动才产生了时间，所以因果关系应该是当“一切都不会灭亡”时(物质不再相互作用)时间才不存在了。
嗷咕嗷咕:
这几十年的物理学，让人感觉，离真相还差太远，很可能等到接近真相时，现在的物理学大厦只是一堆玩具，只不过这些玩具给了我们乐趣和激情。 可能直到人类文明毁灭，人类还是没接近真相。 为了探索物理真相，人类需要一种新的制度，让资源和民意都对前沿物理学倾斜的制度。从目前的世界局势来看，这就是异想天开，但我猜有人在行动了，甚至不少人已付出很大的代价。 200多个国家没法变成一个国家，就算真变成一个国家，那底层人一定与奴隶无异，这代价太大了，也很危险。综合来看，还是多国家的状态更适合人类延续，但为了探索物理，人类有必要形成一个超越国家的暴力机构。 科学家，国家，民众，三者的价值观相差太多，而决定探索速度的，主要是国家，它们同时决定了许多其它东西，如果抛开短期利益，有几个国家能饥渴地搞物理？可能一个都没有。 如果人类压根不想探索物理，那么人类在国家层面的内耗也无所谓，几千年都是那么过来的，但现在人类想探索物理，少年和儿童更是对此感兴趣，那么我们就要做取舍，是削弱后代的求知欲，还是削弱人类在国家层面的内耗？不能削弱国家层面的内耗，那我们可不可以用文明的方式削弱国家对此的影响？ 我想是可以的，科学家可以得到民众的理解和支持，这其中关键的，就是科普。 也许若干年后，科普学家是人类社会最重要的组成部分。

【回复】不要把科学家想的太过美好，任何权利都应该受到制约。一但所有科学家脱离人群成了新的暴力机构对其他人类打击肯定是毁灭性的。
【回复】你说的就是远视主义……
【回复】不可能，牛顿力学是一堆玩具吗？照样在用。只是在不断修正而已
风华不染尘:
相对论不仅能告诉你是什么，还能告诉你为什么 而量子力学只能告诉你是什么，因为目前为止没人能说明为什么，就比如自旋是什么鬼东西，为什么电子能同时出现在原子里面的一堆位置，只有你观测的时候才会固定在某一点，等等，类似的东西数都数不清。 所以量子力学显然是不完善的，等量子力学完善了和相对论自然就会统一。

【回复】我更愿意相信这就是一种内禀属性，拿你说的自旋来讲，为什么会有自旋呢，因为宇宙就是这么设定的，然后由我们观察得到的。就好比光速，光速也是测量的。观察，计算，总结物理学就是这么过来的。至于宇宙为什么这么设定，又需要新的理论了，套娃无穷无尽，探索永不停歇。
【回复】回复 @闷德尔自由氦 :如果世界不是概率的，那也太让人绝望了，上一刻决定下一刻，那一切都将是注定。
皇甫驿:
私以为，有没有一种可能性，叫世界即平直又弯曲，就比如Weierstrass函数的处处连续但处处不可导。反正光都可以“波粒二象性”了。 前提是，黑洞是三维结构在二维观察下的投影，类似旋涡。因此宇宙是有边界的。 基于宏观世界和微观世界，微观世界是离散割裂的，但这种离散具有一定限度，放到宏观下这种离散会被计算精度抹平。究其根源是测量工具的局限。 虽然，基于不可知论的描述，怎么看都像民科。

【回复】回复 @adfcvafie :记得按时吃药
【回复】回复 @adfcvafie :你都说出了诺奖的本质，为啥还看不起诺奖？ 就是一群人考了90分以上，诺奖随便抽一个90分以上的颁奖。 可是其他地方有那么多90分以上的试卷吗？国内出个70分的考卷都能吹一吹，更没含金量。
义成岁月:
量子力学是局部模型，相对论是宏观模型。这两理论还有个通病，对时间的概念都是模糊的。[tv_目瞪口呆]更不要说对粒子的作用考虑不足。介于人类文明到不了太阳系之外就会灭绝，建议用牛大爷那套就足够了。

【回复】用牛大爷那套晶体管硬盘啥的都搞不出来...今天b站都没有→_→
【回复】回复 @工藤志保 :个人感觉搞b站经典电动力学够用了，pn结mosfet变来变去基本还是依赖材料实验而不是理论指导。虽然信号变换和量子力学都涉及希尔伯特空间，但是彼此也没有先来后到的说法。要真分个祖宗出来还得是希尔伯特，希尔伯特祖宗傅立叶，傅立叶祖宗牛爵爷。
【回复】回复 @風の谷のナウシカ_ :哈哈哈，不知道你看过JOJO没，现代科学就是无限接近真理而永远无法到达真实。要说清楚这个事情也不是很复杂，那就是指导人类行为的科学如果不是在人类所能企及和认知的时空范围内，超出这个范围越接近真理离人类能够论证的范围越远，因为科学本身就讲究一个能够被证明。概括一下就是所谓天机不可（能）泄露。
上同调与下北泽:
流形光不光滑和量子化之间不一定就是矛盾的，比如规范理论原则上也需要光滑的底流形，这并不影响它可以量子化，而且此外广义相对论也可以看成Lorentz群的规范理论，这并不是问题的本质。另外在弯曲时空背景下也完全可以定义QFT，比如霍金辐射就是这样来的。一个真正的问题是量子化的引力理论是什么，这个问题，我认为核心应该是我们没有找到引力的基本自由度。时空弯曲可能只是一个衍生现象而不是一个基本的场论，就类似于四费米子相互作用理论。

【回复】回复 @道可道China :你要说实验那就更没得说了，量子引力的能标和现在的对撞机差了好几个数量级，那你在这大谈什么广义相对论和量子论不相容更没啥意义，说到底还是那个问题就是你不知道量子引力长啥样。
【回复】回复 @道可道China :另外QFT里也并没有真正把时空离散化，QFT对量子化的理解主要是路径积分，就算用场算符理解，场算符也是在时空上连续的。高所谓普朗克长度只是对可观测物理过程的时间长度有一个最小限制，并没有说时空本身不连续。
【回复】回复 @道可道China :不是消失吧，只是变成的local的对称性，广义相对论说到底也是一个规范理论理论只不过规范群不是SU(N)而是微分同胚，如果用标架形式表述这一点就更明显了，唯一区别可能就是这玩意的规范群和底流形绑定，但这并没有什么大问题。
90酱汁:
UP主的结论给的太粗暴了，比如验证决定论与随机性，你说贝尔不等式实验得出的结论是这个世界遵循着随机性原则，可你缺少了一步证明这个实验权威性与客观性的步骤，我们平常所说的掷色子，因为像我这种无法识别决定色子点数的决定性因素，所以它看起来是随机的，但一些玩色子的高手可以通过声音等诸多因素来识别，所以看似随机的色子点数也是通过一系列的逻辑因素来决定的。

【回复】你可以去查查贝尔不等式的设计原理，是数学上就存在随机性，而不是你说的隐变量。
【回复】回复 @硬壳的半贝仙人 :贝尔不等式并没有完全否定隐变量，它验证的是对于隐变量，不能同时满足定域性和实在性
rockxyu:
宇宙到底怎么产生的，实际上人自己都说不清楚，所谓宇宙大爆炸只是一种假说，或者更确切的说，是一种需要大量信息去验证的假说。因为人类还无法做星际旅行，所以现在能找到的信息量还很小，因此，莱布尼茨的时空论到底是否正确，还压根不好说。而且如果现在的宇宙是由奇点爆炸而来，那奇点存在于那里？所以在没有得到更确定的证据之前，作为哲学上的思考和科学上的假说，个人可以理解但是持保留态度。

格物致知实事求是:
弯曲的空间其实是物体之间万有引力的表达，或许根本没有空间这种东西？ 时间则是相对的，首先要有两个东西，他们变化的剧烈程度不同。所谓时间，只是把某个比较稳定的变化速率，设置为标准，然后人类利用这个标准去衡量与计算万物。 但是物体之间的万有引力会影响到彼此的变化速率，所以并不存在某种绝对标准的变化速率。所以抓着“1秒、1钠秒等”这个人为的观念去思考这种级别的宇宙原理的话，无异于刻舟求剑。把锚点设在变化的东西上，是难以得到正确的测量数据的，根据有误差的数据反推原理更是痴人说梦。 所以只能靠我这种意识流[doge]