對于量子力學和相對論之間的關(guān)系，很多人都有誤會，尤其是兩者之間的關(guān)系，很多人都以為他們是互斥的關(guān)系。而實際上并非如此，目前來看，除了“引力”之外，剩余的部分兩者都可以很好地融合，并且科學家還真的這么做了。不過，在這之前，我們可以簡單描述一下，量子力學和相對論到底都說了一些什么？
相對論
我們都知道，相對論分為狹義相對論和廣義相對論。在狹義相對論中，愛因斯坦提出了一個全新的世界觀。他認為，運動是會改變周圍的時間和空間，并且時間和空間并非是分立的兩個物理量，而是應(yīng)該被統(tǒng)一起來的，所以應(yīng)該叫做時空。而我們?nèi)祟惥蜕钤谌S時空中。
除此之外，狹義相對論還統(tǒng)一了能量和質(zhì)量，提出了質(zhì)能等價。愛因斯坦認為，能量和質(zhì)量其實是一個東西的兩個面，具體體現(xiàn)出什么特質(zhì)取決于你用什么方式進行稱量。并且還給出了質(zhì)量和能量的對應(yīng)關(guān)系，也就是著名的質(zhì)量方程E=mc^2。
而廣義相對論和狹義相對論最大的區(qū)別在于，狹義相對論研究是在平直空間中的情況。
而廣義相對論則研究的是在彎曲時空下的情況。并且愛因斯坦進一步提出了，引力的本質(zhì)是時空的彎曲。
無論是廣義相對論還是狹義相對論，結(jié)論都很奇葩的，之所以我們覺得很奇葩，關(guān)鍵就在于這個理論只有在速度特別快時，尤其是接近光速時，或者引力超級大時，才體現(xiàn)出它的威力來。
在一般的宏觀低速（也就是我們生活的世界）的情況，牛頓力學是它的近似，兩者誤差極其小，你根本感覺不到。所以，這也體現(xiàn)了新理論和舊理論之間的關(guān)系，實際上是新理論要兼容舊理論，而不是否定舊理論。
量子力學
說完了相對論，我們再來說一說量子力學，量子力學說白了是研究小尺度上的物理學，尤其是納米級別以下的尺度。目前關(guān)于量子力學的主流理論是哥本哈根詮釋。這個理論告訴我們，這個世界是不確定性的。具體來說，如果你要去測量一個粒子的位置，你無法測量它的動量，這是因為測量的本身就會影響到粒子的運動。
在量子力學的框架下，粒子的狀態(tài)變得極其詭異，比如：原子核的電子，它實際上同時存在于任意位置，呈現(xiàn)概率分布，這是一種疊加態(tài)。
所以，相對論和量子力學，最早是適用于兩個不同的尺度，相對論適用于是速度快，引力大的大尺度，而量子力學則是適用于微觀世界。不過，它們也確實進行了聯(lián)姻。
保羅·狄拉克
最早把量子力學和相對論結(jié)合起來的人叫做：保羅·狄拉克。他是英國的理論物理學家，在量子力學的黃金時代，他是絕對的大神級的存在，并且被認為是量子力學的奠基人之一。
他在海森堡、薛定諤的發(fā)現(xiàn)之上，結(jié)合了狹義相對論，提出了量子場論，并且預(yù)言正電子的存在。通過將“場”量子化成功解決了量子力學中非定域性的問題，并且同時滿足了洛倫茲寫協(xié)變論。定域性指的是任何物理學效應(yīng)都不能超光速傳遞。而非定域性正好就和定域性的原則是完全相反的，也就是說，在量子糾纏態(tài)的系統(tǒng)中，粒子是可以超過速相互作用的。
可以說，在量子場論的框架下，狹義相對論和量子力學進行了很好的結(jié)合。也正是在這個基礎(chǔ)之上，催生了粒子物理標準模型。
引力的難題
既然狹義相對論和量子力學可以很好地進行融合。于是，科學家其實相信廣義相對論能夠和量子場論結(jié)合。這也是一直以來科學研究的前沿陣地。但，雖然經(jīng)過許多科學家的努力，目前來說，廣義相對論還是沒有辦法和量子場論進行很好地結(jié)合。至于原因，其實還蠻復(fù)雜的，我們簡單講述一下：
首先，在廣義相對論中，所描述的時空是三維時空，引力是時空的彎曲造成的；可是量子場論中的時空觀和廣義相對論是不一樣的，這是因為量子還有自旋空間，兩者對于時間的描述也是相互矛盾無法調(diào)和的。
其次，在黑洞附近以及普朗克尺度下，兩個理論也都同時出現(xiàn)失效的情況。
當然，實際上的矛盾還有很多，由于篇幅關(guān)系，這里就說這些。
正是因為這些問題，有一些物理學想要通過另辟蹊徑的方式來解決這個矛盾，也就是“引力子”，希望能夠把引力納入到粒子物理學標準模型當中。可惜，引力子理論與現(xiàn)實的誤差實在有點大，遠沒有廣義相對論描述得好，所以沒有成為主流科學理論。
最后，我們來總結(jié)一下，量子力學和廣義相對論并不是互斥的，量子力學是可以和狹義相對論進行融合的，并且可以得到量子場論。只是廣義相對論與量子場論的融合出現(xiàn)了問題。不過，目前來看，科學家始終是相信一定存在某些我們目前還不清楚的機制，才使得兩者沒實現(xiàn)融合。所以，將廣義相對論和量子場論進行結(jié)合也是目前科學理論發(fā)展的重點方向。
