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物理学中18个最大的未解之谜(下篇)

2018-06-09



NO.9 混乱中有秩序吗?

物理学家不能精确地解决描述流体行为的方程组,从水到空气再到所有其他液体和气体。事实上,我们不知道所谓的Navier-Stokes方程(简称N-S方程)的通解是否存在,或者,如果存在一个解,它是否描述了各处的流体,或者包含内在不可知的称为奇异点。结果,混乱的本质并没有被很好地理解。物理学家和数学家都想知道,天气仅仅是难以预测,还是不可预测?湍流是否超越数学描述,或者当你用正确的数学处理它时,它是否都有意义?

NO.10 宇宙的所有力统一了吗?

宇宙经历四种基本力:电磁力、强核力、弱相互作用(也称为弱核力)和重力。到目前为止,物理学家们知道,如果你把能量调大到足够的程度——例如,在粒子加速器中——三种力就会“统一”并成为一个单一的力。物理学家已经运行粒子加速器,统一了电磁力和弱相互作用,在更高的能量下,同样的事情应该发生在强大的核力和最终的重力上。

但是,尽管理论认为这是必然发生的,但大自然并不总是施惠于人。到目前为止,还没有一种粒子加速器达到足够高的能量,可以用电磁学和弱相互作用来统一强大的力。包括重力意味着更多的能量。目前还不清楚科学家是否能造出如此强大的机器人;位于日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC),能以万亿电子伏特(约14太电子伏特)的能量相互碰撞。要达到大统一能,粒子需要至少一万亿倍的能量,因此物理学家只能寻找这些理论的间接证据。

除了能量问题,很多大统一理论(GUTs)仍然存在一些问题,因为它们预测了迄今为止还没有得到充分利用的其他观测结果。有几个大统一理论说质子在巨大的跨度的时间后(10 ^ 36年)应该变成其他粒子。这是从未被观察到的,所以质子的持续时间或者比任何人想象的要长得多,就是它们永远是稳定的。某些大统一理论的另一种预测是磁单极的存在——独立的“北极”和“南极”磁极——目前没有人见过其中的一个。有可能我们只是没有足够强大的粒子加速器。或者,物理学家对宇宙如何运行的看法可能是错误的。

NO.11 黑洞内部发生了什么?

如果一个物体被吸入黑洞,它的信息会发生什么变化?根据目前的理论,如果你把一个铁立方体扔进黑洞,就没有办法获得任何信息。这是因为黑洞的引力非常强大,它的逃逸速度比光速还快——光是宇宙中速度最快的东西。然而,一个量子力学研究的科学分支说量子信息是不能被破坏的。芝加哥洛约拉大学的物理学副教授罗伯特·麦克尼(Robert McNees)说:“如果你不知怎么地把这些信息消灭了,就会有麻烦。”

量子信息与我们在计算机上存储的1和0或我们大脑中的东西有点不同。这是因为量子理论没有提供确切的信息,例如,物体的位置,就像在力学中计算棒球的轨迹一样。相反,这些理论揭示了最可能发生的位置或某些行为最有可能产生的结果。因此,各种事件的所有概率加起来应该是1,或100%。例如,当你掷一个六面骰子时,一个给定的面出现的概率是六分之一,所以所有的面的概率加起来等于1,你不能超过百分之百确定某件事会发生。如果您知道一个系统是如何结束的,您可以计算它是如何开始的。

要描述一个黑洞,你需要的是质量、角动量(如果它在旋转)和电荷。黑洞里除了一种叫做霍金辐射的缓慢的热辐射之外,什么也没有。据大家所知,没有办法通过逆向计算来计算出黑洞到底吞噬了什么。信息被摧毁。然而,量子理论认为,信息不可能是完全摧毁,这就是“信息悖论”。

麦克尼斯说,在这个问题上已经有了很多研究,特别是史蒂芬·霍金(已故)和斯蒂芬·佩里的研究。许多人试图解决这个悖论。到目前为止,物理学家们还不能对这个解释达成一致,而且他们很可能会在一段时间内产生分歧。

NO.12 裸奇点存在吗?

当“事物”的某些性质是无限的时,就会出现奇异点,因此我们所知道的物理定律就会失效。在黑洞的中心有一个无穷小和稠密的点(充满有限的物质),一个被称为奇点的点。在数学中,奇点总是会出现,除以0是一个例子,坐标平面上的一条垂直线有一个“无限”的斜率。实际上,一条垂直线的斜率是没有定义的。但是奇点是什么样子的呢?它如何与宇宙的其他部分相互作用?说一个物体没有真正的表面并且无限小是什么意思?

“裸”奇点是一种可以与宇宙其他部分相互作用的奇点。黑洞有视界——球形区域,没有任何东西可以逃脱,甚至光也不能。乍一看,你可能会认为裸奇点的问题至少在一定程度上解决了黑洞的问题,因为没有任何东西能脱离视界,奇点也不会影响到宇宙的其他部分。(可以说,它是“穿上衣服”的,而裸奇点则是一个没有视界的黑洞。)

但是,如果没有视界,奇点能否形成仍然是一个悬而未决的问题。如果它们存在,那么阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论就需要修正,因为当系统太接近奇点时,它就会崩溃。裸奇点也可以作为虫洞,也就是时间机器——尽管在自然界中没有证据证明这一点。

NO.13 违反cp对称

如果你把一个粒子和它的反物质兄弟交换,物理定律应该保持不变。举个例子,带正电荷的质子应该和带负电荷的反质子看起来是一样的。这就是电荷对称的原理。如果你左右交换,物理定律应该是一样的。这是奇偶对称。两者在一起被称为CP对称。大多数时候,这个物理规则都没有被违反。然而,某些外来粒子违反了这种对称性。McNees说这就是为什么它很奇怪。“量子力学不应该有任何违反CP的行为,”他说。“我们不知道为什么会这样。”

NO.14 当声波发光时

尽管粒子物理问题解释了许多未解决的问题,但在一个台式实验室的设置上可以观察到一些谜团。声波发光就是其中之一。如果你取一些水,用声波撞击它,泡沫就会形成。这些气泡是被高压包围的低压区;外部压力推入低压空气,气泡迅速崩塌。当这些气泡坍缩时,它们发出光,闪烁的光持续了万亿分之一秒。

问题是,还远不清楚光源是什么。理论范围从微小的核聚变反应到某些类型的放电,甚至是气泡内部气体的压缩加热。物理学家们已经测量了这些气泡内部的高温,温度大约为数万华氏度,并拍摄了大量它们产生的光的照片。但是,对于声波是如何在气泡中产生这些光,并没有很好的解释。

NO.15 超越标准模型的是什么?

标准模型是最成功的物理理论之一。40年来,它一直经受着实验的考验,新的实验不断证明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围一切的粒子的行为,并解释了为什么,例如,粒子有质量。事实上,2012年发现的希格斯玻色子(一种赋予物质质量的粒子)是一个具有历史意义的里程碑,因为它证实了对希格斯玻色子存在的长期预测。

但标准模型并不能解释一切。标准模型已经做出了许多成功的预测——例如希格斯玻色子、W玻色子和Z玻色子(介导了控制放射性的弱相互作用),以及它们之间的夸克。也就是说,大多数物理学家都认为标准模型并不完整。有几个新的,更完整的模型的竞争者——弦理论就是一个这样的模型——但是到目前为止,没有一个被实验最终证实。

NO.16 基本常数

无量纲常数是没有单位的数。例如,光速是一个基本常数,单位是米每秒(或186,282英里每秒)。与光速不同,无量纲常数没有单位,它们可以测量,但不能从理论推导出来,而像光速这样的常数可以。

天文学家马丁·里斯(Martin Rees)就是一个专注于一些他认为是物理学基础的“无量纲常数”,他的著作《只有六个数字:塑造宇宙的深层力量》(Basic Books, 2001)。事实上,这些数字远远超过6个;标准模型中大约有25个。

例如,精细的结构常数,通常写成alpha,决定了磁相互作用的强度。这是约0.007297。使这个数为奇数的原因是,如果它有任何不同,稳定物质就不存在。另一个是许多基本粒子的质量之比,如电子和夸克,普朗克质量(1.22×10^19 GeV / c^2)。物理学家很想弄明白为什么这些特定的数字有它们的价值,因为如果它们非常不同,宇宙的物理定律就不会允许人类存在。然而,对于为什么他们有这些价值,仍然没有令人信服的理论解释。

NO.17 重力到底是什么?

重力,到底是什么呢?其他力是由粒子介导的。例如,电磁就是光子的交换。弱核力由W和Z玻色子携带,而胶子携带着将原子核结合在一起的强大核力。麦克尼斯说,所有其他的力都可以被量化,这意味着它们可以用单个粒子来表示,并且具有非连续的值。

重力似乎不是这样的。大多数物理学理论认为,它应该由一个假想的无质量粒子——重力子携带。问题是,还没有人发现过重子,也不清楚是否有任何粒子探测器可以观测到它们,因为如果重子与物质相互作用,它们就会非常非常非常非常罕见——非常罕见,以至于在背景噪声的作用下它们是不可见的。我们甚至不清楚重子是否没有质量,尽管如果它们有质量的话,它非常非常非常小——比中微子还要小,中微子是已知的最轻的粒子之一。弦理论假设重子(和其他粒子)是能量的闭合环路,但是数学工作到目前为止还没有产生太多的见解。

因为重子还没有被观测到,重力一直抵制着试图以我们理解其他力的方式来理解它——作为粒子交换。一些物理学家,特别是Theodor Kaluza和Oskar Klein,认为重力可能是一种额外维度的粒子,超出了我们所熟悉的空间(长度、宽度和高度)和时间(持续时间)的3个维度,但这是否正确还不得而知。

NO.18 我们是否生活在虚假真空中?

宇宙似乎相对稳定。毕竟,它已经存在了约138亿年。但如果整件事是一场大事故呢?

一切都始于希格斯粒子和宇宙的真空。真空,或者说空的空间,应该是最低的能态,因为里面什么都没有。与此同时,希格斯玻色子——通过所谓的希格斯场——赋予万物质量。加州大学洛杉矶分校的物理学和天文学教授亚历山大·库申科(Alexander Kusenko)在《物理学》(Physics)杂志上撰文称,真空的能量状态可以从希格斯场的势能、希格斯粒子的质量和顶级夸克(一种基本粒子)的质量来计算。

到目前为止,这些计算似乎表明,宇宙的真空可能不是处于最低的能量状态。这意味着这是一个虚假的真空。如果这是真的,我们的宇宙可能不稳定,因为一个虚假的真空可以被一个足够猛烈和高能的事件撞击成一个低能量的状态。如果发生这种情况,就会出现一种叫做泡核的现象。一个低能真空球体将以光速开始生长。没有任何东西,甚至连物质本身都无法生存。简单地说,就是我们将用另一个宇宙取代宇宙,它可能有非常不同的物理定律。

这听起来很可怕,但考虑到宇宙还在,显然还没有发生过这样的事件,天文学家已经看到了伽马射线暴,超新星和类星体,所有这些都是非常高能的。所以我们不需要担心这个问题。也就是说,假真空的概念意味着,当先前宇宙的假真空被撞入较低的能量状态时,我们的宇宙可能以这种方式突然存在。也许我们是粒子加速器事故的结果。


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来自:thchen0103  > 第一集
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