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[转]理论物理中的五大问题

仰望星空

Lee Smolin的《The Trouble with Physics》,Lee列出的理论物理中的五大问题如下:



1. 将量子理论和广义相对论结合成一个自然界的完整理论;

2. 解决量子力学的基础问题,或是通过重新理解使得理论有意义,或者是重新发明一个理论;

3. 决定各种不同的粒子和相互作用是否是统一的;

4. 理解粒子物理标准模型中的自由参数是怎么被决定的;

5. 解释暗物质和暗能量。如果它们不存在,决定引力在大尺度上是如何被修改的,更广泛地,解释标准宇宙学模型中的参数为什么取这些值;

每个人心目中都有他自己的五大问题,Lee说出的应该是大家公认的五大问题,从这一点来看,Lee一点也不想与众不同。正如他自己在书中所说,他是一个不喜欢冲突的人。

我最近越来越成为一个务实派,认为真正的进展不是来自谁一下子解决了一个大问题,如上述的问题中的任何一个,而是来自于貌似补锅的工作。远的不说,只看过去一百年内的例子。Planck试图将Rayleigh-Jeans 公式和Wien公式结合成一个完整的定律发现了量子,Bohr为了解释Balmer公式发现了他的量子化规则。爱因斯坦的工作表面看起来有些象一下子提出大理论,或一下子解决大问题,其实他也是一步一步来的。狭义相对论的建立是在已经有了Lorentz的电子论和Poincare工作以后,广义相对论是爱因斯坦自己一步一步走出来的。所以,如果我需要列一个单子贴在我办公室的墙上,我的问题和Lee的问题会很不同。

我先评论一下Lee列出的五个问题,然后再列一下个人的五大问题。

1. 将量子理论和广义相对论结合成一个自然界的完整理论。

这个问题毫无疑问是中心问题。不论是弦论还是loop gravity,目前还不能声称解决了这个问题。在纯逻辑上来看,弦论在一定情况下“解决”了这个问题,如微扰论的发散问题。在某些情况下弦论甚至有了非微扰的实现,如AdS/CFT。弦论目前最大的问题,一是如何在没有超对称的情况实现,二是如何结合宇宙学。

量子引力还有一个非常实际的问题,就是如何在引力的量子涨落变得很重要的情况下找到一个可以计算的方案。黑洞的问题就是这样的一个问题。

Schwarzschild黑洞这个问题,不论是弦论还是loop gravity,都没有真正解决。

2. 解决量子力学的基础问题,或是通过重新理解使得理论有意义,或者是重新发明一个理论。

我不认为量子力学需要修改。如果量子力学在一个“realist”看起来很难理解,那也可能是我们没有真正理解可观测量的含义。例如,许多人觉得如果量子力学只能给出一个粒子在某个位置的几率,这个理论就是不完备的。我个人觉得,粒子这个概念在什么程度上是“reality”我们并没有理解。我举两个例子来说明我的观点。第一个是粒子的全同性,在量子力学中,这是一个假定,或者“原理”。在量子场论中,这是一个推论。我们在场论中假设了只有稳定的粒子才会在渐近态中出现,而渐近态之间的散射振幅才是可观测量。这导致我们无法定义相对局域的量,包括给定时间的一个粒子。这个例子已经说明我们对粒子这个所谓的“reality”并没有真正的理解,或者说,除了那个渐近态,没有更好的理解。第二个例子涉及到广义相对论。Unruh效应告诉我们,所谓粒子甚至事件这些概念,与观测者有关。

如果我们暂时没有“reality”对象,如何从一个realist的角度觉得量子力学是不完备的?也许我们还缺乏对量子力学的更加深刻的理解,但这种理解不会从量子力学本身中来,也不会从修改量子力学中来,而是将量子力学放在更大的框架中去理解后才会得到,例如,量子力学在量子引力中是如何实现的,量子力学如何用来实现量子宇宙学。Feynman对量子力学的看法,还是最好的看法:I cannot define the real problem, therefore I suspect there’s no real problem, but I’m not sure there’s no real problem.

3. 决定各种不同的粒子和相互作用是否是统一的。

我个人觉得真正的决定权在实验家的手中。

4. 理解粒子物理标准模型中的自由参数是怎么被决定的。

这个问题与上一个问题有关。

5. 解释暗物质和暗能量。如果它们不存在,决定引力在大尺度上是如何被修改的。更广泛地,解释标准宇宙学模型中的参数为什么取这些值。

暗物质特别是暗能量的存在,告诉我们现在已经不能将所谓的基本理论独立于宇宙学之外了。暗能量是量子引力的一个最大的问题。过去我觉得黑洞熵之于量子引力如同黑体辐射之于量子论,现在我觉得暗能量才是量子引力的黑体辐射问题。

我个人的五大问题:

1. 量子引力全息原理的最一般的物理表述是什么?

也许我们还没有一个完整的量子引力理论,但黑洞量子物理明明白白告诉我们有一个全息原理在那里。AdS/CFT就是全息原理的一个具体实现。

要实现全息原理,一方面我们需要几何,这是引力的一方,另一方面我们需要场论。引力的一方在极端情况下几何可能完全消失,例如一个半径很小的AdS。当几何消失时,代替几何的是什么?还是什么也没有,可靠的理论只是场论的一方?

宇宙学中也有一个普适的全息原理吗?如果有,这个全息原理的实现与量子宇宙学的关系是什么?一个全息原理的具体实现应该可以直接解释黑洞的熵,以及黑洞演化是否完全遵从量子力学。

2. 暗能量是什么?

暗能量仅仅是爱因斯坦宇宙学常数吗?还是可变的?如果是可变的,宇宙学观测还需要多长时间明确地告诉我们它是可变的?

暗能量的存在是量子引力的红外与紫外关系的体现吗?还是象landscape scenario倾向的完全是一个随机的数,和人择原理有关的数?

3. 第一个能体现量子引力的实验是什么?

我希望理论家们能够多多提出一些在不远的将来或者比较远的将来能够实现的实验。不论是哪一种量子引力理论(弦论,loop gravity, 等等),到现在为止都不能具体计算出一个可靠的量子引力效应,而这个可靠的量子引力效应既不是弦论中的高能散射,也不是loop gravity中的体积、面积量子化,而是在比较低能的领域就能看到的效应。打个比方,布朗运动就是远在我们“直接看到”原子分子之前体现原子分子存在的物理效应。

我们以前在这里讨论过的小黑洞无疑是一种可能,虽然这种可能性非常小。

我个人目前特别感兴趣的是inflation中的trans-Planckian效应,如果在CMB功率谱中能够看到量子引力效应当然是非常令人兴奋的,因为这样我们就不必等到人类文明能够达到Planck能量了。除了inflation,宇宙学中还有其他潜在的体现量子引力效应的观测和实验吗?

4. 粒子物理的参数哪些是理论决定的,哪些不是?

这个问题比较大,但我觉得比问所有相互作用到底有没有一个统一的能标来的容易一点。最近,Tegmark和Wilczek等人研究了粒子物理常数和宇宙学参数和微观物理限制以及选择效应的关系:

有没有可能从量子引力的model independent的角度研究哪些常数是随机的,哪些不是?当然,最终的决定还是实验。不过,理论家的责任就是告诉实验家们什么样的实验和这个问题有关,所以我们有必要认真梳理一下。我强调model independence 很重要,我不相信那种从具体的,有时非常hand-waving的模型出发而得出的任何结论。

5. 粒子物理中有超出标准模型的任何物理吗?

当然,中微子质量不算。

LHC可能给我们带来意想不到的东西,如果这样,我们就没有必要坐在这里,象Lee Smolin那样悲叹过去几十年高能物理+引力理论没有任何实质性的进展了。

以上的五个问题还是太大了,不是我说的补锅性的工作,但确实是我非常想知道答案的五个问题。

附录:

1.

2.

3.

4.

5.

因为Lee Smolin五个问题中的第二个问题最可能引起争议,我建议有兴趣的人看一下Meimin的第三个问题。Meimin对量子力学的解释有独到的理解,还写过相关的科普,所以我觉得他对这个问题的表述很有意思,可以看出他的观点是量子力学没有问题,和Smolin相反。我觉得哲学倾向比较强烈的人通常认为量子力学有问题,Lee的哲学倾向向来很强。我在跟帖中提到Feynman的名言: shut up and calculate,这也是我对这个问题的态度。好了,看一看Meimin的第三个问题的表述:

3. Are fundamental theories still based on superpositions of states that evolve unitarily, or have the basic principles of quantum mechanics been replaced? If quantum mechanics has survived, have people reached a consensus on the solution to the interpretive problems, or have they simply ceased to view them as problems needing a solution? If quantum mechanics has not survived, has the theory that replaced it clarified these puzzles, or do people find it equally or even more mysterious?

我们看到,Meimin强调了量子力学的最重要的特点,就是线性叠加原理和么正演化。么正演化与时间相关,如果时间概念被取代了,也许就不那么基本了,所以线性叠加原理最基本。

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