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物理学领域这5个终极问题虐人无数,好奇的你一定不敢点开看


一群人比赛爬山,你费尽千辛万苦,终于甩开众人,第一个登上了山顶——却发现,这里根本没有终点线,反而要面对更多条岔路,通往数座更高的山峰。要是这样的情况再多反复几次,你会如何表达你的心情?

上面是普通人的版本,换做是物理学家呢?情况也好不到哪去。试想一下,从上学到工作,你埋头苦读,一切都在朝着顺利的方向发展:你的理论经过多年研究发展,解决了艰难的数学问题,完美地符合事实,但是……它也带来了更多的未知与不确定。

爱因斯坦的广义相对论是个很好的例子。广义相对论是现在关于引力最好的理论,不仅如此,它还预测了黑洞的存在——引力极强以至于压缩一切物质的天体。但是,关于黑洞的问题至今也仍然使物理学家们感到困惑。当然,让物理学家们挠头的概念不止这一个。

▲很多观点难以消化

(一)

量子多重宇宙

现在坐在这里阅读这篇文章一头雾水的你,可能在另个平行世界中是一位出色的物理学家,已经破解了量子世界的奥秘。

“现实”看起来是很确定的,对吧?你站在这,球也在这,你去踢球它会在另一处停下来。如果解释这种物质实体如何运动的理论描述的是完全不同的画面,你会感到智商受到侮辱。

然而,量子理论的核心是,所有物质只存在于在“阴影”,是不确切的,直到我们测量它。举个例子,事物可以同时在很多地方,只有我们观察它们的时候才能把它们固定下来。

爱因斯坦对此反对,曾尖锐地指出这个理论是否意味着月亮不存在,直到我们看到它为止。物理学家David Mermin创造了一个令人难忘的短语来总结他和同行们的感受——闭嘴,算吧!(shut up and calculate! )

各种不同且古怪的解释填补了概念上的空白,最著名的就是量子多重世界的假设。它的意思是说每次我们测量的时候,每个之前存在的量子态仍然存在——只是它在另一个我们看不到的平行世界。

译者注:薛定谔的猫,测量后才知道猫是死是活。对于其原因物理学家提出了多个不同的解释。很长时间以来,正统的解释是“哥本哈根诠释”,但量子多重宇宙解释也得到了一些物理学家的支持。爱因斯坦曾说“上帝不掷骰子”,就是反对哥本哈根解释的不完备性。为了避免背后的哲学问题,物理学家们选择“闭嘴,算吧”。

(二)

时间

你想为你的女朋友在铁轨旁拍一组文艺照片,然而天气有变。忽然你发现远处两道闪电同时击中了快速行进中的列车头部和尾部,颇为震惊。这件事几天后被报道出来,火车里的乘客说闪电先击中了车头,后击中了车尾。不懂相对论的你当然不知道为什么不是同时。你认为的相对论,就是有时与女朋友在一起觉得时间过得太快,也有时感觉过得太慢……

你或许相信时间是从过去到未来,带你穿过一个永无止境的旅行至“当前”,但这可能只是大脑中构建的错觉。这早就在20世纪初爱因斯坦提出相对论时就明确了。时间不流动,客观上定义过去和未来也是不存在的——时间只是时间。

但是,这也掩盖了一些事实,相对论和量子力学正以不同的方式悄悄地探讨时间。但对大多数物理学家谈这个,可能会让他们再次经历另一个“闭嘴算吧”时刻。

然而,对于包括加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所(Perimeter Institute)的Lee Smolin在内的一小群物理学家来说,这样根本不行。他们说,我们只需要对过去、现在和未来构成更好的物理定义——他们会不会成功,只有“时间”能告诉我们。

译者注:时间是什么,是否有长短?这种哲学问题一直是物理学上未解的前沿问题。爱因斯坦的相对论中,时间是相对的,时间和空间结合在一起,成为了可通过引力弯曲的时空。时间会取决于测量时的位置而发生变化。比如在太空站的宇航员比地球人年轻一点点,在《星际穿越》中表现的更明显。

(三)

宇宙常数

宇宙常数只是爱因斯坦场方程中的一个参数,而它对应的实际意义给了物理学家们很多烦恼。

进,出,进,出,摇一摇——宇宙学常数的历史就是名副其实的霍基-科基舞(译者注:西方传统的快节奏舞蹈,寓意为反复变化)。

爱因斯坦将宇宙常数添加到他的广义相对论方程中以稳定宇宙,并确保它在自身的引力下不扩大也不缩小。不过在20世纪20年代,爱德文·哈勃等物理学家发现宇宙实际上是在膨胀的——这促使爱因斯坦将他的发明解释为他一生中犯过的“最大的错误”。

然而,到了90年代,超新星等天体的观测使天文学家确信宇宙的膨胀在加速。导致的结果是,宇宙学常数又回来了,这次的罪魁祸首是“暗能量”,它的存在似乎在对抗引力,把宇宙分开。

唯一不变的是,二十年来所有人仍在“黑暗”中,不明白宇宙学常数和暗能量究竟源于何处。我们最好的猜测是他们起源于似乎填满真空的短暂的量子能量振动。但是,计算它们能提供多少能量导致了一个10120数量级的混乱。物理学家可不愿意干连会计都不想碰的活儿。

译者注:在爱因斯坦提出广义相对论的时代,人们普遍认为宇宙是静止不同的,爱因斯坦提出宇宙常数是为了符合当时的观测结果。后来的新发现又导致宇宙常数回归,理论上计算表明暗物质和暗能量的存在,物理学家们认为宇宙学常数与它们有着深刻的关系。

(四)

无穷大

你应该能理解总有一个数比你想象中最大的数还大,比如正无穷 ∞,没有比它更大的数。数学家喜欢无穷大,但物理学家十分讨厌。

数学家坚信无穷大的存在。事实上,不仅有无穷大,还有无穷多不同量级的无穷大。没有什么比创造一个新的无穷等级塞在研究题目的逻辑漏洞中更让数学家喜欢的了。

但对于物理学家来说,无穷大是公认的痛。无穷就是难以驾驭的量,往往会摧毁他们穷尽思路推导出的任何一个理论。无穷大曾把能解释大多数比原子核水平更深层次问题的“弱电统一”理论推迟了几十年。现在,它们以在宇宙大爆炸的不可估计的“奇点”和黑洞等形式,阻碍着量子引力理论的统一。

一些物理学家说,已经足够大了。宇宙并不是无穷的——它只是非常、非常大。无论多大,在一个有限的宇宙中,不需要无穷。问题是,至今还没有人研究出如何在数学上让无穷消失。

译者注:物理学中的公式计算得出的结果总要对于现实,所以物理学家们不遗余力的寻找预言中的粒子以证明理论的正确。四种相互作用中,电磁相互作用和弱相互作用通过弱电统一理论结合的很好,量子色动力学也很好的阐述了强相互作用,这三者的结合诞生了标准模型。物理学家们一直在寻找把引力作用融入进去的方法,但理论中的无穷大一直没有解决。

(五)

宇宙的热寂

你想过宇宙的最终会变成啥样吗?物理学家给出了冻死这个答案。虽然它叫热寂,但其实最终的命运是冷到再无生机。或许为了更为贴切它也叫冷寂(Big frezze)。

如果给出一种末日的选择,大多数人可能选择在炽热的夏天陷入爱河,再最后感受爱的温暖与激情。不过这个时候,千万不要想着求助于物理学,它给出的答案可能不会如你所愿,甚至会督促你能穿多厚就穿多厚。

宇宙的这种终结要归咎于热力学,热寂理论表达的是,有效能量和一切有趣的变化都会随着时间融入一个统一、无味的“汤”中。再加上暗能量使宇宙的膨胀越来越快,我们的世界越来越凉,未来实际一片暗淡。相邻的星系最终会从可观测宇宙的地平线上消失,留给我们的是寒冷、黑暗和孤独。

当然,我们不会看到这时候,太阳的死亡早已把我们的星球毁灭殆尽。

不过,我们现在有一个可能让宇宙动力学出错的机会,或者说一些意想不到的扭曲使它的最终命运变得扑朔迷离。物理学家已经考虑到了大裂缝(big rip),大挤压(big crunch)甚至是“大吃货”(big slurp)——量子波动导致宇宙变得不稳定,并因此超光速地把自己由内到外吃掉的场景。其所导致的结果与冷寂(Big freeze)可能完全不同。

译者注:宇宙的终极命运也是令物理学家头痛的问题。热寂是最初从热力学第二定律得出的结论,指宇宙的熵达到最大值时,所有物质达到了热平衡,再也没有任何可以维持运动或生命的能量存在。后来物理学家们提出了多个模型,“上帝粒子”希格斯玻色子发现后也暗示它与宇宙命运的关系,但所有结果都预示宇宙最终会走向毁灭。




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来自:董校长读书  > 物理学
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