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当今世界十大物理难题

2015-12-17

【美国《纽约时报》2008年8月15日文章】题:需要两千年思考的十大物理学
问题(作者 乔治·约翰逊)
100年前,德因数学家戴维·希尔伯特在巴黎的国际数学家大会上以一
番发人深省的话语开始了他划时代的讲话。他在讲话中罗列了当时尚未解决
的23个重大难题。希尔伯特宣称:“—个伟大时代的结束,不仅要求我们回
首过去,而且还引导我们回首对未知的将来进行深思。”随着又一个世纪—
—实际上是整整一个千年纪元——的结束,有一种要求显得比以往任何时候
更为紧迫,那就是通过罗列最引人入胜的宇宙之谜来显示人类的无知。
今年5月,马萨诸塞州剑桥的克莱数学学会仿效希尔伯特,在巴黎宣布
了7道“千年大奖难题”,每道题悬赏100万美元征求解答。
无独有偶,上月,存圣巴巴拉加州大学,物理学家们像通常那样不事张
扬地结束了一次有关超弦理论的会议。他们的最后一次讨论题为“干年疯狂”,
议程是挑选出他们领域中10个最匪夷所思的问题。这就像是一场由科学界最
聪明的一批人参加的荒岛游戏。
圣巴巴拉加州大学的理论物理学家戴维·格罗斯在公布选出的问题时
说:“我是这样考虑的:如果我从现在起昏迷100年,当我醒来时,我会问
什么问题。”
在剔除一些大法问答的问题(例如“怎样获得终身职位?”)后,评委们
列出了足够让物理学家忙上100年的难题。尽管没有任何悬赏,不过,解决
下列问题中的任何一个差不多都能保证获得诺贝尔奖。

1.表达物理世界特征的所有(可测量的)无量纲参数原则上是否都可以推算,
或者是否存在一些仅仅取决于历吏或量子力学偶发事件,因而也是无法推算
的参数?
爱因斯坦的表述更为清楚:上帝在创造宇宙时是否有选择?想象上帝坐
在控制台前,准备引发宇宙大爆炸。“我该把光速定在多少?”“我该让这
种名叫电子的小点带多少电荷?”“我该把普朗克常数——即决定量子大小
的参数——的数值定在多大?”他是不是为了赶时间而胡乱抓来几个数字?抑
或这些数值必须如此,因为其中深藏着某种逻辑?

2.量子引力如何帮助解释宇宙起源?
现代物理学的两大理论是标准模型和广义相对论。前者利用量子力学来
描述亚原子粒子以及它们所服从的作用力,而后者是有关引力的理沦。很久
以来,物理学家希望合二为一,得到一种“万物至理”——即量子引力论,
以便更深入地了解宇宙,包括宇宙是如何随着大爆炸自然地诞生的。实现这
种融合的首要候选理论是超弦理论,或者叫 M理论——这是其名称的最新
“升级版”,M代表“魔法”( magic)、“神秘”( mystery)或“所有理论
之母”( mother of alltheories)。

3.质子的寿命有多长,如何来理解?
以前人们认为质子与中子不同,它永远不会分裂成更小的颗粒。这曾
被当成真理。然而在70年代,理论物理学家认识到,他们提出的各种可能
成为“大一统理论”——该理论把除引力外的所有作用力汇于一炉——的
理论暗示:质子必须是不稳定的。只要有足够长的时间,在极其偶然的情
况下,质子是会分裂的。
况下,质子是会分裂的。
办法是捕捉到正在死去的质子。许多年来,实验人员一直在地下实验
空中密切注视大型的水槽,等待着原子内部质子的死去。但迄今未止质子
的死亡率是零,这意味着要么质子十分稳定,要么它们的寿命很长——估
计在10亿亿亿亿年以上。

4.自然界是超对称的吗?如果是,超对称性是如何破灭的?
许多物理学家认为,把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理
论要求证明两种差异极大的粒子实际上存在密切的关系,这种关系就是所
谓的超对称现象。
第一种粒子是费密子,可以把它们粗略地说成是物质的基本组件,就
像质子、电子和中子一样。它们聚集在一起组成物质。另一种粒子是玻色
子,它们是传递作用力的粒子,类似于传递光的光子。在超对称的条件下,
每一个费密子都有一个与之对应的玻色子,反之亦然。
物理学家有杜撰古怪名字的冲动,他们把所谓的超级对称粒子称为
“Sparticle”。但由于在自然界中还没有观察到5particle,物理学家
还需要解释这种对称性“破灭”的原因:随着宇宙冷却并凝结成现在的这
种不对称状态,在其诞生之际所存在的数学上的完美被打破了。

5.为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数?
这只是因为还没有想到一个可以接受的答案,只是因为除了上下、左
右、前后,人们无法想像在更多的方向上运动。这并不意味着宇宙原本就
是这样的。实际上,根据超弦理论,肯定还存存着另外六个维数,每一维
都呈卷曲状,十分微小,因而无法察觉。如果这一理论是正确的,那么为
什么只有这三个维数是伸展开来的,留给我们这个相对幽闭恐怖的空间呢?

6.为什么宇宙常数有它自身的数值?它是否为零,是否真正恒定?
直到最近,宇宙学家仍然认为宇宙是以一个稳定的速度在膨胀。但最
近的观察发现,宇宙可能膨胀得越来越快。人们用一个叫宇宙常数的数字
来描述这种轻微的加速。这个常数是否如人们早期所认为的是零,或者是
一个非常小的数值,物理学家现在还无法做出解释。
根据一些基本计算,这个常数 应该很大——是我们观测结果的大约
10到122倍。换句话说,宇宙应该以跳跃般的速度在膨胀。而实际情况并
非如此,肯定有什么机制在压制这种作用。如果宇宙真是超对称性的,那
宇宙常数就该被完全抵消掉。但这种对称性——如果确实存在的话——看
来已经破灭。如果这个常数随时间的变化而变化的话,那情况就更加复杂
了。

7.M理论的基本自由度( M理论的低能极限是 ll维的超引力,它包含5种
相容的超弦理论)是多少?这一理论是否真实地描述了自然?
多年来,超弦理论最大的弱点是它有5个不同的版本。到底哪一个——
如果有的话——描述了宇宙?反对这一理论的人最近已经接受了被称为 M理
论的最主要的 l l维理论框架。但情况却因此变得更加复杂。
在 M里论前,所有的亚原子粒子都被说成是由微小的超弦组成的。M理
论给组成亚原子的物质增加了一种叫做“膜”(brane)的更为神秘的物质,
它就像生理学上的膜一样,但最多有9个维数度。现在的问题是,什么是更
基本的物质组成单位,是膜组成了弦还是刚好相反?或者另外存在着一些更
基本的物质单位,只是人们没有想到罢了?最后,这两种东西中是否有一种
确实存在,或者 M理论仅仅是一种迷人的大脑游戏?

8,黑洞信息悖论的解决方法是什么?
根据量子理论,信息——无沦它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗
粒组成文件的确切方式——是不会从宇宙中消失的。但物理学家基普·索
恩、约翰·普雷希尔和斯蒂芬·霍金却提出了一个固定的假设:如果你把
一本大不列颠百科全书扔进黑洞中去,将会发生什么事?宇宙中是否有其他
同样的百科全书是无关紧要的。正如物理学中所定义的,信息并不等同于
含义,信息仅指二进制的数字,或是一些其他的代码,它被用来精确地描
述一个物体或一种方式。所以看起来那些特定的书本里的信息将被吞没,
并永远地消失。但人们觉得这是不可能的。
霍金博士和索恩博士相信那些信息确实消失了,而量子力学必须对此
作出解释。普雷希尔博士推测信息其实并没有消失;它也许以某种形式显
示于黑洞的表面,如同在一个宇宙中的银幕上。

9.何种物理学能够解释基本粒子的重力与其典型质量之间的巨大差距?
换言之,为什么重力比其他的作用力(如电磁力)要弱得多?一块磁铁
能够吸起一个回形针,即使整个地球的引力在把它往下拉。
根据最近的一种说法,重力实际上要大得多。它仅仅是看上去比较弱
而已,因为大部分重力陷入了某一个额外的维数度之中。如果我们可以用
高能粒子加速器俘获全部的重力,也许就有可能制造出微型黑洞。虽然这
看上去会引起固体垃圾处理业的兴趣,但这些黑洞很可能刚一形成就消失
了。

10,我们能否定量地理解量子色动力学中的夸克和胶子约束以及质量差距
的存在?
量子色动力学( QCD)是描述强核子力的理论。这种力由胶子携带,它
把夸克结合成质子和中子这样的粒子。根据量子色动力学理论,这些微小
的亚粒子永远受到约束。你无法把一个夸克或脑子从质子中分离出来,因
为距离越远,这种强作用力就越大,从而迅速地把它们拉回原位。

但物理学家还没有最终证明夸克和胶子永远 不能逃脱约束。他们也不
能解释为什么所有能感受强作用力的粒子必须至少有一丁点儿的质量,为

什么它们的质量不能为零。一些人希望 M理论能提供答案,这一理论也许
还能进一步阐明重力的本质。
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