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世界物理学十大难题

2014-09-25

世界物理学十大难题

来源:小木虫学术科研站     作者: raoqun20     发布: 2007-04-30
        人类由必然王国向自由王国的探索应当永远不会终结。早在19世纪末,当人类迎来20世纪曙光时,许多人发出了科学发明已经穷尽的预言。但事实证明,整个20世纪的科学技术比起19世纪又有了极大的发展。许多前人没有想到的科技成果如今已经服务于人类。
  在进入21世纪的今天,世界上又有一些大牌的科学家同样又发出了"科学已将近终结"的预言。但物理学家们精心挑选出10个最匪夷所思的物理学问题,解答这些问题足够让他们忙碌100年甚至更长的时间。但对任何一个问题的解答差不多都能获得诺贝尔奖,因此被认为现代物理学的十大"诺贝尔难题"。

  Problem-1:表达物理世界特征的所有(可测量的)参数是否都可以推算,或者是否存在一些仅仅取决于历史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:"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?

  Problem-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论。很久以来,物理学家希望创立一种合二为一的理论,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。实现这种融合的首选理论是超弦理论,或者叫M理论。
 
  Problem-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20世纪70年代,理论物理学家认识到,他们提出的"大一统理论"暗示:质子必须是不稳定的。只要有足够的时间,在极其偶然的情况下,质子是会分裂的。
  证实的办法是,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室中密切注视大型的水槽,等待着原子内部质子的死去。但迄今为止质子的死亡率为零,这意味着要么质子十分稳定,要么它们的寿命很长――估计在10亿亿亿年以上?

  Problem-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,要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。另一种粒子叫玻色子,它们是传递作用力的粒子,类似于传递光的光子。在超对称的前提下,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完美就被打破了。

  Problem-5:为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数?
  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,肯定存在着另外6个维数,每一维都呈卷状,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3个维数是伸展开来的呢?
 
  Problem-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在以一个稳定的速度膨胀。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加速。这个常数人们早期认为是零。但根据一些基本计算,这个常数应该很大。换句话说,宇宙应该以跳跃般的速度在膨胀。而实际情况并不是如此。有什么机制在压制这种作用?

  Problem-7: M理论的基本自由度是多少?这一理论是否真实地描述了自然?
  多年来,超弦理论(M理论)最大的弱点是它有5个不同的版本。到底哪一个描述了宇宙?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11维超引力理论框架。但情况却因此变得更加复杂。
  在M理论前,所有的亚原子都被说成是由微小的超弦组成的。M理论组成亚原子的物质增加了一种叫做"膜"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?
  
 
        Problem-8:黑洞信息悖论的解决方法是什么?
  根据量子理论,信息(无论它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗粒组成的文件内容)不会从宇宙中消失。但物理学家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?正如物理学所定义的,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。
  一些科学家相信那些信息确实消失了。另一些科学家们推测信息其实并没消失;它也许以某种形式显示于黑洞表面,如同在一个宇宙中的银幕上。
  
 
       Problem-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?例如:一块磁铁能够吸起一个回形针,即便整个地球的引力在把回形针往下拉。
  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。这看上去会引起垃圾处理业的兴趣,但这些黑洞很可能刚一形成就消失了。
 
   
       Problem-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及质量差距的存在?
  根据量子色动力学理论,微小的亚粒子永远受到约束。你无法把夸克或胶子从质子中分离出来,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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来自:陈农  > 数学物理化学
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