相对论可以分为狭义相对论和广义相对论两种理论，其实早在1928年，狄拉克就已经把狭义相对论和量子力学统一在一起了，只是广义相对论还没有跟量子力学统一。狭义相对论和广义相对论有什么区别呢？最核心的区别是，狭义相对论里面的时间和空间是直的，广义相对论里面的时间和空间是弯的。因为量子力学已经跟狭义相对论融合在一起，所以量子力学的时间和空间也是直的。这就是第一个矛盾：量子力学的时空是直的、广义相对论的时空是弯的。

因为时空弯曲已经被大量的实验证明，所以第一轮较量中爱因斯坦和广义相对论获胜。

广义相对论建立在黎曼几何之上，黎曼几何有一个基础的假设——时空必须连续光滑。

时空可以弯曲、也可以有褶皱，但必须要平滑的过渡，不能有断点。所以时空跟气球很像，表面必需要连续光滑。量子力学里面有一个不确定性原理，它会让能量出现量子涨落，并且距离越小涨落的越厉害，如果到了10的-35次方米的普朗克尺度，就会出现剧烈的能量涨落。

我们都知道 能量可以弯曲时空，能量剧烈涨落会导致时空剧烈涨落。黎曼几何要求时空平滑，不确定性原理导致时空剧烈涨落，最终导致在普朗克尺度出现了无穷大。

这相当于一个时空是气球，另外一个时空是刺猬，强行融合它们俩，砰的一声就爆了。这就是量子力学和相对论不能融合最重要的原因。

除此之外还有其它原因，比如说相对论是连续的，但是量子力学里面的能量、动量等是离散的，还有，时间在量子力学和相对论里面的地位不一样，量子力学把时间当做外在的固定背景，但是相对论把时间当做内部的动态结构。

打个比方，一个是固定的舞台，粒子在舞台上表演，另外一个是动态的蹦床，粒子会影响蹦床的形状，量子力学和相对论的时间很不一样，这个问题被称为量子引力的时间难题！

具体来说，量子力学认为这个世界是随机的，但是相对论认为这个世界是确定的，是决定论。只要给定初始条件，广义相对论可以精确预测系统在未来任何时刻的状态。举个例子，假如你考试考砸了，广义相对论认为，如果宇宙重新再演化一遍，你还是会考砸。宇宙大爆炸时的初始状态决定了一定会出现你，并且你的这次考试也一定会考砸。但是量子力学认为这个世界是随机的，如果宇宙重新演化一遍，地球都不一定会出现，你的这次考试就更不可能存在了。那这个世界到底是随机的还是决定论？有个叫“贝尔不等式”的理论可以验证它。

物理学家做了大量贝尔不等式实验，所有的实验都支持这个世界随机的(排除了 局域实在论)，否定了爱因斯坦的隐变量决定论(也可能是多世界、非局域隐变量、复古因果等其它非正统诠释)。因此这个世界（大概率上）是随机的。地球如果回到46亿年前重新演化一遍，不一定会演化出人类。你如果回到婴儿时期重新活一遍，也不一定会遇到你现在的爱人。因此，人与人之间缘分归根结底来源于量子力学的随机性，并且这种缘分在宇宙里面是唯一的，不会重复出现，错过了一次，就错过了一辈子。

相对论不允许超光速，但是量子力学里面的量子纠缠的波函数坍缩速度能超光速。虽然它们俩都认为信息不能超光速，但是它俩的世界观是不同的。相对论是定域的，认为一个物体只能被其紧邻的周围环境所影响。量子力学是非定域的，认为宇宙可以远距离互相关联。通过量子纠缠两个粒子无论相隔多远，都像一个整体瞬间同步状态，无视时空距离。爱因斯坦把非定域性称为“幽灵般的超距作用”。可以简单这么理解，相对论认为万物互相影响受光速限制。另外一个，宇宙在更深的层面上可能是不可分割的整体。看似分离的个体，能共享同一个波函数。

量子力学认为（量子）信息必须要守恒，但是相对论认为信息不一定要守恒。举个例子，如果你把一本书扔到黑洞里面，量子力学认为这本书里面的信息依然存在；就像能量守恒一样，这本书的信息会以其它状态组合的形式继续存在。但是相对论认为，黑洞会把所有状态信息都抹平，除了质量、电荷、角动量之外这本书所有的其它信息都会消失。于是矛盾就出现了，一派认为信息守恒、另一派认为信息不守恒，这两派吵了几十年。那到底谁吵赢了呢？现在大部分物理学家根据全息原理认为黑洞蒸发出来的霍金辐射，保留了那本书原来的信息(但是依然不知道这个信息是如何被编码和转移的)，也就是说信息守恒。总体来说，量子力学在这场吵架中占优势，因此（量子）信息很可能是守恒的。

好了，总结一下量子力学和相对论的5个矛盾。

一个时空平直、一个时空弯曲

一个时空光滑、一个量子涨落

一个是概率论、另一个是时空决定论

一个是定域、一个是非定域

一个信息守恒、一个信息不守恒

我们进一步思考一下，这5个矛盾有什么共同点？仔细观察的话你会发现，它们背后有一个共同的东西——时空。前3个矛盾都与时空直接有关。第四个矛盾：定域，因果受时空距离限制；非定域，关联能无视时空距离。因此，第4个矛盾也跟时空有关。第5个矛盾是信息，物理学里面的信息一般由熵来定义，而熵又与时间有关，因此信息和时间之间高度关联。总之一句话，这五个矛盾都与时空有关。

量子力学和相对论之间有那么多矛盾，归根结底是因为物理学对时间和空间的了解太少。时间是整个物理学了解最少的一个物理量。既然物理学里面找不到答案，我们就去哲学里面寻找，因此接下来我们介绍一下哲学上最重要的两种时空观。

在17世纪现代科学刚刚诞生的时候，出现了两种时空观，一种是牛顿时空观、另一种是莱布尼茨时空观。莱布尼茨？这个名字好熟悉啊。就是微积分里面牛顿－莱布尼茨公式的那个莱布尼茨，他俩创立了两套不同的时空观。

先说牛顿时空观，牛顿认为时间和空间是一个外在的容器，物质在时空的容器里面运动。我们初中高中物理课本上讲的，都是这种牛顿时空观。但是莱布尼茨认为，时空是物质的内在关系，时间是物质的连续变化，空间是物质的共同存在。这句话很重要，我估计将来很多人会反复琢磨这句话，所以一定要记住。

那这两种时空观有什么区别呢？

牛顿认为时空是一个舞台，电子夸克等不同的粒子像演员一样在舞台上表演。这时候如果演员都消失了，舞台还能继续存在。因此牛顿认为如果没有物质，时空还能独立存在。

但是莱布尼茨认为，这个舞台压根不存在。时空就是各个演员之间的关系，比如说同学关系、情侣关系等等。没有舞台，只凭借演员之间的互动，也能上演一场精彩的小品。这时候如果演员都消失了，那演员之间的同学情侣关系也就不存在了。关系没了，时空也就不存在了。

因此如果物质都消失了，牛顿认为时空还能继续存在，莱布尼茨认为时空也会跟着消失。总之这两种时空观最核心的区别是：牛顿把时空当做外部的背景、莱布尼茨把时空当做内在的关系。

我看过很多哲学上对时空的不同理解，莱布尼茨时空观是我见过的，哲学上对这个世界的解释力最强的一种时空观。比如说宇宙大爆炸之前为什么没有时间和空间？莱布尼茨告诉我们，时空只是物质的附属品，宇宙大爆炸之前没有物质，皮之不存毛将焉附，连物质都不存在时间和空间就更不可能存在了。

再举个例子，宇宙正在膨胀，宇宙外面有没有空间？莱布尼茨告诉我们，时空只是物质的附属品，宇宙外面没有物质，那当然就没有空间了。宇宙把物质膨胀到哪里，哪里才会诞生时间和空间。

再举一个例子，黑洞中心时间为什么会静止？（或者说黑洞中心点没有时间）莱布尼茨告诉我们，时间是物质的连续变化，黑洞把物质撵平了，物质不再发生变化。变化都没有了，时间当然会停止。

因此，莱布尼茨时空观能解释很多终极问题。

最后我们回到这个视频的主题，量子力学和相对论之间的矛盾。量子力学本质上是一种牛顿时空观，量子力学把时间和空间当做外在的舞台背景。广义相对论本质上是一种莱布尼茨时空观。

爱因斯坦在1952年说过:时空不是独立的存在，而是场的内在结构，因此爱因斯坦和莱布尼茨的时空观是一致的。

问题1：“最小作用量原理”背后更深层的物理法则是什么？“最小作用量原理”+“对称性”可以推导出物理学几乎所有的理论（除了熵增定律），任何“可逆的运动”都可以用“最小作用量原理”来描述。但是人类只是会用这个原理，对于它背后更深层的物理法则，人类还不清楚。就像原始人会用“火”，但是不知道“火”背后的原理一样。“最小作用量原理”与“运动”有关，而“运动”又跟时空有关，因此“最小作用量原理”一定跟时空有非常非常深刻的关联。

问题2：真空里面到底有什么东西？天文观测结果表示，真空里面有能量，但是我们还不知道这些能量是怎么来的。量子场论“真空零点能”的理论计算和天文观测的实验结果　之间差了10的120次方倍，这说明量子场论的“真空”未来一定会被修整。

问题3：时间的本质是什么？时间是人类了解最少的一个物理量。时间为什么有方向？“时间的方向”和“熵增加的方向”一致，“时间的方向”还跟“宇宙空间膨胀的方向”一致，我个人猜测时间可能来源于某种东西的“不对称”。对于熵为什么要增加？宇宙为什么要膨胀？人类到目前也不清楚。

总结一下，这3个问题背后有一个共同的幽灵——“时空”，因此这三个问题很可能是互相关联的。谁能解决这三个问题，他就一定能成为“牛顿、爱因斯坦级别的物理学家”！我是不行了，粉丝们，看你们的了！

除了这5个矛盾，量子力学和相对论还有其它冲突，例如在第16集我们讲了，它俩在黑洞会出现黑洞火墙悖论和黑洞奇点问题。在第10集我们仔细讲了，贝尔不等式的物理内涵和数学根源，感兴趣可以取看一下。

信息守恒指的是：一个物理系统在某个时刻的完整“波函数”会决定其之后任意时刻的状态。

物理学有两个“大统一理论”的方向——圈量子引力和弦论。圈量子引力把时间和空间都离散化了，把理论建立在“微分同胚流形”上，所以圈量子引力遵守“莱布尼茨时空观”。弦论除了实验上无法被证实之外，理论上最大的缺点是——不满足“时空背景独立性”。什么是“时空背景独立性”？一个理论，理论方程需要跟“时空形状”无关，理论不依赖特定参考系（或者说理论必须是无坐标的）。比如说在一个坐标系内定义了“真空”，换到另外一个参考系应该也是“真空”，这就叫“时空背景独立”。但是量子力学和弦论都不满足这一点；原本的“真空”，在弦论或量子力学里面　换一个参考系就可能不是“真空”了。因此“时空背景独立性”是未来“大统一理论”的一个必需要求。弦论因为不遵守“时空背景独立性”被广泛批评。

这个系列有50级，这是第7集，每一集视频都像这一集一样，深度而又全面的科普，欢迎订阅关注我，我最推荐第8集，系统总结了现代物理学的3种大统一理论和爱因斯坦的自然神论。这一集只给了你时空观，第8集更狠，能能直接给你基于科学的信仰！

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