时间旅行指南-第2章
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题。广义相对论还预测了物质质量在非匀速运动中所产生的引力波，但是这种波太过微弱了，以至于科学家们还没能明确地侦测到它。最后，爱因斯坦的相对论还预测了足够大的坍塌引力会导致物质陷入宇宙黑洞之中。现在，越来越多的科学证据表明，一些天文系统中可能有黑洞的存在。
爱因斯坦的广义相对论并不是20世纪产生的唯一引力理论，但是它也许是最简洁最讲究的理论。所有可行的引力理论都必须像爱因斯坦的理论那样完整、自持并且有相对论的特质。它们还必须能解释牛顿理论的局限性，坚持弱等价原则，并能够在同一位置在理想时间内测试出相同的爱因斯坦位移，以上三点被认为是最基本的要求。实验表明达到以上的条件是最基本的要求，并且L。I。席夫（L。I。Schiff）推测它们可以通过几何原理、度量和理论来进行验证。
最有资格与之相提并论的应该是布兰斯？迪克（Brans…Dicke）理论。就像广义相对论那样，它是一个满足了基本标准的几何理论。它的电磁场方程式不同，然而，该理论认为时空几何不仅受到物质本身的限制，而且受到另外的标量场的影响。与爱因斯坦的计算不同，布兰斯？迪克理论并不能预测水星的近日点位移。
一些近期的理论试图以非几何的方式解释万有引力定律，它们试图用一种被称为引力子的微粒来解释万有引力。这些所谓的超对称理论将引力现象归于量子物理学的领域之中。它们试图证明四种相互作用的基本性质是彼此关联的，它们对于宇宙的诞生来说是一种独立但又统一的力量。
多维分析学说还提出了关于不变的万有引力常量G的相关问题。这个问题最早是由英国物理学家保罗？狄拉克（Paul Dirac）在他那所谓的“大量”假说中提出的。狄拉克注意到在原子条件下电磁力的放射性和强度以及地心引力（大约是10^40）的放射性和强度在大体上跟宇宙的年龄相关。他猜测，在如此相似的情况下是否掩藏着深刻的物理联系，并提出G的值是否有可能随着宇宙年龄的不断增加而逐渐减小。如果G的值在减小，那么引力时间会随着原子时间的改变而改变。但是到目前为止，还没有任何实验可以证明这一切是真实存在的。
统一场理论
在理论物理学中，统一场论也许最广泛的定义是一种方程式原理，这种原理统一了地心引力、电磁、弱核力和强核力四种相互作用的基本性质。而且，还没有能囊括一切的理论存在。
历史上，阿尔伯特？爱因斯坦是第一个尝试用一系列统一场论来统一地心引力和电磁学这两种基本因素的。也就是说，他在完成了对自己的地心引力理论（及广义的相对论）的陈述后，开始用詹姆斯？克拉克？麦克维斯（James Clerk Maxwell）给出的著名电子方程式来论证他的结果。爱因斯坦的想法是从本质的几何学观点上，把他自己的和麦克维斯的描述联系起来。但是他最终失败了。然而，这次失败主要原因还是在那个时代强核力和弱核力还没有被发现。
另外的一些尝试是由德国物理学家赫尔曼？威尔（Hermann Weyl）和美国物理学家约翰？惠勒（John Wheeler）提出的，把电磁理论整合到普遍相对的几何形式中。尽管其中一些理论只是看上去很完美，但实际都缺乏跟量子现象的联系，这种现象对于相互作用而非地心引力非常重要。
随后的一些整合尝试是从一个完全不同的角度开始的，整合的量子场理论用来描述，或者可以说描述了四个基本原理的相互作用。目前为止最成功的就是由谢尔顿？格拉肖（Sheldon Glashow）、史蒂文？温伯格（Steven Weinberg）和阿卜杜勒？萨拉姆（Abdus Salam）共同提出的弱电理论。这个理论结合了电磁场理论和弱相互作用理论。这个理论简化来说就是，力是由四种不同的无质量的玻色子相互作用而传播的。通过一种“破坏的对称性”，这三个玻色子，W（＋）、W（…）和Z（0）就产生了质量，质量以质子的50到100倍增加，第四个玻色子，也就是光子，仍然是无质量的。1983年，W和Z玻色子在欧洲核子研究委员会（CERN）实验室的高能物理实验中被发现。因此，温伯格、萨拉姆和格拉肖获得了1979年的诺贝尔物理学奖。
除弱电理论之外，也有一些其他的整合理论被提出来。其中一些涉及强相互作用，而一些“万能理论”也试图包括万有引力。后者也被称为超对称理论。然而，目前为止，这些都还未取得突破性进展。
量子力学
根据爱因斯坦的广义相对论，任何事物，无论在光速或者更快的速度中都不能进行时间旅行。然而，量子力学有一种现象叫隧道现象，在理论上能够提供一种原理让物体在比光速更快的速度中从一个地方移动到另一个地方。威廉？克里斯1995年提到，德国研究者声称在4。7光速下传送了莫扎特（Mozart）的第40交响曲第5节。
量子力学是一种基础理论，在20世纪被物理学家用来描述原子和亚原子现象。它还成功地广泛运用于观察一系列宇宙图片。
虽然量子力学借鉴了牛顿力学的一些观念，即早先的物理现象，然而与牛顿力学本质上是不同的。比如，在牛顿物理学中，数量是被认为持续可变的，在一定范围内可取任何值。另一例子是角动力，即粒子被一中心吸引沿圆形轨道旋转，它与速度乘以中心距粒子的距离值成正比。因为牛顿力学中距离可以取任何值，所以角动力也是如此。另一方面，在量子力学中，角动力常常被规定成某些离散值，这些离散值的比率是简单的有理数。
量子力学和早先的物理理论更本质的区别在于用一种可能性，即用一种基本思维来解释量子力学如何来诠释这个世界。这就很明显是在用量子力学和牛顿力学来预测未来。牛顿力学中描述的一些事物，如太阳系，如果能一次性精确测量出，那么对于太阳系未来动向的精确预测是有可能的。在量子力学的描述中，甚至对一个简单的单电子原子都能精确预测出其诸多行为的可能性。对不稳定的放射性核的描述就能说明这一点。当单个的核子衰变时，量子力学就不能进行预测，尽管如此，如果搜集了许多相同的原子核，那么能指出何时这个核子会衰变。这个量子力学的新现象被一些知名物理学家，如艾伯特？爱因斯坦所抵制。不管怎样，它的出现成为原子与亚原子水平上不可忽视的一个特征。
早期发展：普朗克的成果
历经30多年的时间，量子力学蓬勃发展，期间成功地解释了多个物理现象。第一个量子理论用来分析电磁辐射是如何产生的。1900年，马克思？普朗克（Max Planck）做到了。普朗克尝试研究在不同的频率下，热的物体辐射的分布，比如太远的表面。根据观察结果他得出结论，辐射不是持续发出的，就像早先认为的一样。相反，辐射是以一种被他称为量子的离散量发出的。对于这些量子、频率f和能量释放量E之间往往存在一种关系，即E=hf。这里的h就是被普朗克引入的普适常数，现在以他的名字命名。普朗克常数以时间乘以能源为单位，其数值接近6。63×10^（…34）焦耳秒。普朗克分析结果的独特之处在于，这个公式能够表达出任何频率下的物体的辐射量。这个联系，即黑体分布，和实验结果相一致。
在普朗克的理论中，量子的性质是十分神秘的。这个谜于1905年被爱因斯坦解开，他提出光本身就是一个由单个套件组合的能源，后来被称为光子。爱因斯坦还提到光的频率与光子合成的能量有关，这是根据普朗克公式得出的。爱因斯坦的光量子概化理论被许多与他同时代的科学家所排斥，其中包括普朗克。而后，被罗伯特？密立根（Robert Millikan）的光电效应实验证实，并且阿瑟？康普顿（Arthur pton）从康普顿现象中发现了这一理论，并且用电来进行光子散热。
另一个具有代表性的早期量子运用的想法是尼尔斯？波尔（Niels Bohr）提出来的，1913年他提出一个假设，氢原子的电子角动力只能有一个值，这个值即普朗克常数的整数倍除以2π，那么它可以派生出由原子发出的光的频率。波尔理论暗示了只有特定的能量值，电子才可能存在于原子中，即如果有一个最小值，那么在这种最小值的状态下，电子是无法放射能量的。这个结果帮我们解释了原子如何能够保持稳定，也说明了一个元素的所有原子如何有一样的化学性质。然后，他证明了波尔理论对于原子的拓展要比氢气复杂得多。而且，牛顿定理和量子理论的奇怪组合让物理学家很难取舍，到底该遵循哪一个物理原理。
量子力学形式
实际的量子力学的发展，即数学的理论，于1924年到1927年才开始。起初，有两种看起来不相同的途径：一是维尔纳？海森堡（Werner Heisenberg）发现的矩阵力学和欧文？薛定谔（Erwin Schrodinger）发现的波动力学。然而，事实表明这是一个单独理论的两个不同方面，后来被称为量子力学。这个没有被定义的现象是被保罗？狄拉克（Paul Dirac）发现的。在矩阵力学中，物理量如粒子的位置，不是用数字表示，而是用数学量来表示，如矩阵。矩阵力学对于处理相应能量水平的小数的情况有用，如在磁场中的定角动力。
波动力学对于能量水平的数目无限大的情况更有用，如原子中的电子。这个是建立在路易斯？德布洛意（Louis deBroglie）的早期理论之上的，即粒子如电子与它们的联系成波状。波的波段（h）、伽玛（γ）与质量（m）和速度（v）有联系，粒子与伽玛的联系是γ=h/mv。这可以推断出电子以十分之一光速移动，如电视显像管产生的那些，波长大约10^（…10）米，或者约为在透明固体中原子之间的距离。德布洛意的预测被克林顿？戴维斯森（Clinton Davisson）和乔治？汤姆斯（George Thomson）证实。他们让电子波穿过了金属球，随即产生了衍射图案，跟X射线产生的一样。
1925年，欧文？薛定谔发展了方程式，现在以他的名字命名。这个方程式描述了电子如何与波动联系起来或者其他亚原子粒子在各种不同作用力的影响在空间和时间中的运动情况。这个方程式有多种解答方式，而且薛定谔强调对于一个粒子系统，其解答结果必须满足任何位置。当遇到电子在氢原子中的情况时，薛定谔方程式能马上给出准确的能量值，像以前波尔算出的一样，这个方程式能适应更复杂的原子，甚至完全没有被原子束缚的粒子。在很多例子中发现薛定谔方程式能给出粒子行动的准确描述，也证实了粒子没有在接近光的速度下运动。
抛开这些不谈，波动理论并不够完善。尽管这个公式成功了，但是波动的意义还是不清楚。薛定谔认为在空间内波动的强度的一个点上，代表了电子在那个点上的总量。那么，只要释放了电子，就无法集中在一点了。然而，这个理论很快被发现是不成立的，因为，如果一个粒子最开始集中在一点，大多数例子表明粒子会迅速传递到递增的更大区域，这就与观察到的粒子的行为相矛盾。
对波动正确的解释是由马克思？伯恩（Max Born）提出的。当他在研究如何用量子力学来描述粒子间的碰撞时，意识到德布洛意…薛定谔波动有一种测量的可能性，找到空间中粒子两点之间的距离。换句话说，即度量衡常常聚焦的是一整个粒子，而不是其中一部分。但是在一些强度小的区域，粒子不常被发现，然而在强度大的区域，粒子经常被发现。
海森堡的不确定原理
1927年，海森堡对量子力学的进步做出了重要的贡献。他分析了很多“思维实验”，这些实验是为了提供一些关于粒子位置和速率而设计的。这需要显微镜来呈现电子的图像。众所周知，因为光的波动性质，一个精确的电子图像需要波段长而且频率高的光。然而，普朗克…爱因斯坦关系暗示了这样的光需要光子有巨大的能量和动力。在这样的光子和电子间的碰撞，电子动量会从碰撞时开始不受控制地变化。结果是，随着电子理论的普及，精确度的增长是不可避免的，但是在其动量领域则是精确度的损失。在这个理论和相关分析的基础上，海森堡建立了他的不确定准则，这个准则以它最简单的形式表达了未知Δx和未知Δp之间的相互关系，Δx是物体的位置，Δp是我们所知道的它的能量。根据（Δx）（Δp）给出的不确定关系，其结果小于h/4π。对于物体每天的大小，相较于普通实验的不确定�
