深层解读相对论与量子力学的“矛盾”，大统一理论何时出现？

在民间或者业务爱好者中间，有很多人热衷于拿相对论和量子力学做比较。我首先想说的是，其实相对论和量子力学属于完全不同类型的理论，从物理学范畴上分，相对论属于经典物理范畴，量子力学属于量子物理范畴。什么是经典物理学？经典物理学认为时空是连续的，一切事物的发展，一旦初始状态确定，原则上就可以从理论上预言它以后任何时刻的状态，即所谓的决定论。什么是量子物理学？量子物理学认为，时空是不连续的，是量子化的，物体的状态由波函数的概率描述，状态具有不确定性，也就是说即使物体初始状态知道了，从理论上根本就不能完全确定以后的状态，只能从概率上给出某些可能性，即所谓的非决定论。

然后再说说什么是相对论。相对论包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对论在1905年建立完成，广义相对论在1915年建立完成。

麦克斯韦建立了麦克斯韦方程组，统一描述了一切电磁现象，这是一项伟大的成就 。学过电磁学的人都知道麦克斯韦方程组对一切惯性系都成立。这一点，比较爱思考的人便会发现，麦克斯韦方程组预言的电磁波对于一切惯性系来说，传播速度都是光速，然而这一点与伽利略变换有着不可调和的矛盾。伽利略变换认为，光速对于不同的参考系来说，必然是不同的。显然，这两者之间必然至少有一个是错误的。爱因斯坦经过思考，毅然放弃了伽利略变换，建立了狭义相对论。狭义相对论是种时空理论，其本质上颠覆牛顿时空观，牛顿时空观认为，时间和空间是完全独立的概念，时间和空间不互相影响，天生就是分开的，时间和空间分别都是绝对的，而狭义相对论认为时间和空间是一个整体，时空作为一个整体是绝对的，不能随便分解，如果需要分解，那么必须约定分解办法，最自然的分解办法就是基于某一个参考系进行分解，所以时空的分解是参考系依赖的，也就是说是相对于约定的那个参考系的，可见，时空作为一个整体是绝对的，然而分开的时间和空间是相对的，这便是狭义相对论的相对时空观（注意，作为一个整体，相对论认为时空是绝对的，与任何参考系无关，时间或者空间是相对的，业余人士往往在这点上有误解！）。

广义相对论是一种引力理论，牛顿万有引力定律也是引力理论中的一种。狭义相对论建立以后，爱因斯坦就着手把所有的力学理论都纳入相对论框架中（那时还没有成熟的量子理论，所以未考虑量子化问题），一切进展顺利，但是唯独牛顿的万有引力理论完全无法完成相对论改造。因此，爱因斯坦意识到，狭义相对论必然是不完善的，因为它无法将引力纳入它的框架中。经过一番非凡的研究之后，爱因斯坦毅然放弃了万有引力理论，建立了广义相对论用以代替万有引力理论（在此可以看到，广义相对论是一种引力理论）。广义相对论认为，引力并不存在，是物质引起了时空的弯曲（这里说的时空正是狭义相对论里说的那种时空，时空是一个整体，既不是时间，也不是空间，而是时空，这一点一定要清楚！），物质在弯曲的时空中运动，当我们在分开的时空观念（人们已经不自觉地以某个参考系比如地球进行了时空分解）中观察物体运动时，发觉物体表现出了受到引力的特征。总之一句话，物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动（这就是爱因斯坦场方程的通俗解释）。这就是广义相对论，将引力也纳入了相对论的框架中（广义相对论作为一种引力理论，就是认为根本没有引力，引力完全就是一种运动学效应）。

量子力学是基于量子理论的概念，研究粒子的相互作用，也就是力学问题。目前有量子电动力学和量子色动力学。量子电动力学是描述电磁相互作用的理论，后来统一了电磁相互作用和弱相互作用。量子色动力学是描述强相互作用的理论。两者目前已经相对成熟，预言实验结果的精确程度能够达到令人咋舌的地步！可以说是非常的成功。但是，量子力学中完全没有引力的影子，一切理论中都忽略引力相互作用。因此，量子力学缺失了引力理论。如何在量子框架下建立引力理论，成为了理论物理学家们的棘手问题。

先看现有的引力理论-广义相对论。显然，广义相对论不是量子化的理论，不是理论物理学家们所追求的完美引力理论。这一点，在黑洞和宇宙学问题上表现得尤为明显。广义相对论认为，黑洞形成后物质会继续塌缩，直到收缩为一个奇点，在这个点上时空弯曲无穷大，一切物理理论包括相对论都不再适用。广义相对论还认为，宇宙应该开始于一个奇点，继而不断膨胀成我们今现在的宇宙，同样，在在奇点上相对论也失效。霍金进一步以定理强力地证明了，只要广义相对论正确，那么宇宙中必然会存在奇点。这就是说，从相对论出发，最终却推导出了奇点，而且在奇点上相对论失效，因此可以肯定地说，广义相对论作为一种引力理论，在微观尺度上是错误的（注意，这不能否定其在宏观尺度上的成功）。

因此，寻找一个量子化的引力理论（量子引力理论）是不可避免的事情。在这点上有两种思路，第一种思路：既然广义相对论在宏观尺度上是如此成功，那么是否可以将广义相对论量子化，让它在微观尺度上也正确？这一思路的佼佼者便是著名的圈量子引力理论。第二种思路：既然量子场论（量子力学的场论描述）如此成功，能不能在统一场论框架下寻找一种引力理论？这种引力理论天生就是量子化的。这种思路的佼佼者便是著名的超弦理论（更准确地说是M理论）。然而遗憾的是，无论是圈量子引力还是超弦理论目前都存在巨大困难，离完美的量子引力理论还有距离。因此，可以说，到现在，还没有成熟的量子引力理论。这也是目前理论物理学家的主要目标之一。