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相對論與量子力學在現實生活中有什麼實際應用么?

相對論和量子力學作為現代物理學的兩大支柱,是眾所周知的,在理論層面,對於微觀世界的描述必須要用量子力學,對於高速運動、強引力場的描述必須要用廣義相對論。這兩個理論在宏觀物體低速運動的情況下(也就是日常情況),都會簡化為牛頓力學。因此,可以認為它們是牛頓力學在兩個不同方向的升級版。

一個有趣的問題是,這兩個升級版之間,是不是兼容的呢?答案是:到目前為止,不兼容。

這倒不是說量子力學和廣義相對論已經到了水火不容的程度,只是說在原理上它們是有矛盾的。不過這些矛盾只有在非常極端的情況下才能顯示出來,而這些極端情況我們的實驗條件還達不到。換一種說法,在我們能夠達到的實驗條件下,這些矛盾造成的效應都非常小,以至於觀測不到。因此,大家仍然公認量子力學和廣義相對論是兩個非常精確的理論,是人類迄今為止最基礎的物理理論。不過,無論如何,最基礎的理論有兩個而不是一個,這本身就是一件令人尷尬的事,物理學家們不斷地在努力想把它們統一起來。

在實用層面,廣義相對論用的地方其實不多。宇宙學是一個主要的應用領域,可是即使在宇宙學中,大多數的模擬計算也是用牛頓力學來進行的。

一個日常生活中的例子是:衛星導航系統。廣義相對論預言,引力場會影響時間的流逝。一個鍾在一座樓的底層和頂層相比,由於底層離地球核心更近,引力場強一些,鍾在底層走得就會比在頂層慢一些。不要以為這是說笑,——這是一個真實的效應,實驗上可以觀測到的!對於衛星導航系統,由引力場造成的時鐘差異是必須要矯正的,否則定位就會謬以千里。

而量子力學的應用就數不勝數了,原子為什麼能夠穩定存在?沒有量子力學解釋不了;原子為什麼能聚合成分子?量子力學才能告訴你原因;導電性的本質是什麼?量子力學告訴你;物質為什麼會有硬度?量子力學告訴你;晶體管、激光、發光二極體的原理是什麼?都離不開量子力學。

所以真正該問的,不是什麼用到量子力學,而是什麼不用到量子力學——幾乎沒有!

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