量子力学和相对论存在哪三个矛盾？
量子力学和相对论存在哪三个矛盾？
量子力学和相对论是20世纪最重要的两大物理理论，但它们在解释同一现象时却存在无法调和的矛盾。这些矛盾主要集中在广义相对论与量子力学的相互作用上，涉及引力的本质、微观粒子的引力效应以及黑洞奇点等问题。
为什么量子力学和相对论会出现重大矛盾？这两大理论是人类在20世纪发现的最伟大的理论，但是到目前为止，这两大理论在解释同一现象时会出现重大分歧，这些矛盾在目前来看是无法调和的。这些矛盾主要出现在三个方面：
- 第一个矛盾，广义相对论中的引力到底是不是力，以及引力子到底存在不？
- 第二个矛盾，广义相对论的引力理论为什么无法解释量子世界中微观粒子的引力效应？
- 第三个矛盾，广义相对论无法解释量子世界中无限小的奇点问题，比如黑洞内部的奇点。
我们知道相对论分为狭义相对论和广义相对论。
- 狭义相对论主要描述物体的运动速度与时间膨胀的关系，而在量子力学中微观粒子的运动速度普遍很快，所以狭义相对论可以帮助量子力学解释微观粒子因速度带来的时间膨胀效应，比如狄拉克公式就完美的融合了狭义相对论和量子力学。所以说量子力学和狭义相对论不仅没有矛盾而且十分融洽。
目前量子力学与相对论的矛盾主要集中在广义相对论上。
- 广义相对论主要是阐述因物体质量导致的时空弯曲效应上。
- 而量子力学主要描述微观粒子的运动，所以微观粒子也会出现因自身引力造成的时空弯曲效应。但是由于微观粒子具有叠加态，这就导致微观粒子的时空弯曲效应难以描述。
按照广义相对论引力由时空弯曲造成，但是量子力学中的微观粒子会有叠加态，比如电子的量子特性会导致电子同时处于多个位置，那么电子造成的时空弯曲到底应该按照哪个位置来计算？引力场方程中没有叠加态的概念，所以引力场方程很难描述诸如电子这样的微观粒子造成的时空曲率。
之所以会这样是因为广义相对论中的时空是平滑连续的，假设时空在微观尺度也是量子化的，那么时空的曲率量子就可以和电子一样处于叠加态，这样才有可能解决电子的引力问题，这种曲率量子也就是引力子。
所以按照量子引力理论的预测，引力是通过引力量子(引力子)的交换来实现的。现在的问题是我们就找不到引力子，或许说引力子就不存在。
- 广义相对论和量子力学另一个矛盾就是广义相对论无法解释无限小的奇点。我们知道黑洞中心是一个体积无限小，密度无限大的奇点，小尺度的问题应该由量子力学接手，所以黑洞的奇点应该用量子力学描述。但由于奇点本身质量很大，所以量子力学就无法单独解释奇点，也就不得不再次引入广义相对论。
事实上在引力场方程中，弯曲的时空在无穷小的尺度上是平坦的，然后才能计算出整体的曲率。但是奇点本身也是无限小的，所以无穷小的平坦时空遇到无穷小的奇点，就没有办法再被视为平坦的了。无穷小遇到无穷小计算出的结果可以是任何一个数，这就会造成一个发散的无限大。
为了解决无穷大的发散问题就需要引入一个抵消项，达到重整化的目的。而目前重整化需要引入普朗克长度，但是普朗克长度目前只处于理论阶段无法用实验验证。所以量子力学和广义相对论，在解释黑洞奇点的问题时依旧无法被证实，这也是量子力学和广义相对论无法兼容的最大阻碍。