物理十大難題

世界物理學(xué)十大難題人類(lèi)由必然王國(guó)向自由王國(guó)的探索應(yīng)當(dāng)永遠(yuǎn)不會(huì)終結(jié)。早在19世紀(jì)末，當(dāng)人類(lèi)迎來(lái)20世紀(jì)曙光時(shí)，許多人發(fā)出了科學(xué)發(fā)明已經(jīng)窮盡的預(yù)言。但事實(shí)證明，整個(gè)20世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)比起19世紀(jì)又有了極大的發(fā)展。許多前人沒(méi)有想到的科技成果如今已經(jīng)服務(wù)于人類(lèi)。在進(jìn)入21世紀(jì)的今天，世界上又有一些大牌的科學(xué)家同樣又發(fā)出了”科學(xué)已將近終結(jié)"的預(yù)言。但物理學(xué)家們精心挑選出10個(gè)最匪夷所思的物理學(xué)問(wèn)題，解答這些問(wèn)題足夠讓他們忙碌100年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。但對(duì)任何一個(gè)問(wèn)題的解答差不多都能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，因此被認(rèn)為現(xiàn)代物理學(xué)的十大”諾貝爾難題”。Problem-1：表達(dá)物理世界特征的所有（可測(cè)量的）參數(shù)是否都可以推算，或者是否存在一些僅僅取決于歷史或量子力學(xué)偶發(fā)事件，因而也是無(wú)法推算的參數(shù)？愛(ài)因斯坦的表述更為清楚：上帝在創(chuàng)造宇宙時(shí)是否有選擇？想象上帝坐在控制臺(tái)前：”我該把光速定在多少？"、”我該讓這種名叫電子的小點(diǎn)帶多少電荷？"、”我該把普朗克常數(shù)的數(shù)值定在多大？”......他是不是為了趕時(shí)間而胡亂抓來(lái)幾個(gè)數(shù)字？抑或這些數(shù)值必須如此，因?yàn)槠渲猩畈刂撤N邏輯？Problem-2：量子引力如何幫助解釋宇宙起源？現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論是”標(biāo)準(zhǔn)模型”和”廣義相對(duì)論”。前者利用量子力學(xué)來(lái)描述亞原子粒子以及它們所服從的作用力，而后者是有關(guān)引力的理論。很久以來(lái)，物理學(xué)家希望創(chuàng)立一種合二為一的理論，得到一種'萬(wàn)物至理”一一即量子引力論，以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何隨著大爆炸自然地誕生的。實(shí)現(xiàn)這種融合的首選理論是超弦理論，或者叫M理論。Problem-3：質(zhì)子的壽命有多長(zhǎng)，如何來(lái)理解？以前人們認(rèn)為質(zhì)子與中子不同，它永遠(yuǎn)不會(huì)分裂成更小的顆粒。這曾被當(dāng)成真理。然而在20世紀(jì)70年代，理論物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到，他們提出的，大一統(tǒng)理論”暗示：質(zhì)子必須是不穩(wěn)定的。只要有足夠的時(shí)間，在極其偶然的情況下，質(zhì)子是會(huì)分裂的。證實(shí)的辦法是，捕捉到正在死去的質(zhì)子。許多年來(lái)，實(shí)驗(yàn)人員一直在地下實(shí)驗(yàn)室中密切注視大型的水槽，等待著原子內(nèi)部質(zhì)子的死去。但迄今為止質(zhì)子的死亡率為零，這意味著要么質(zhì)子十分穩(wěn)定，要么它們的壽命很長(zhǎng)一一估計(jì)在10億億億年以上？Problem-4：自然界是超對(duì)稱(chēng)的嗎？如果是，超對(duì)稱(chēng)性是如何破滅的？許多物理學(xué)家認(rèn)為，要證明兩種差異極大的粒子實(shí)際上存在密切的關(guān)系，這種關(guān)系就是所謂的超對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。第一種粒子是費(fèi)密子，可以把它們粗略地說(shuō)成是物質(zhì)的基本組件，就像質(zhì)子、電子和中子一樣。它們聚集在一起組成物質(zhì)。另一種粒子叫玻色子，它們是傳遞作用力的粒子，類(lèi)似于傳遞光的光子。在超對(duì)稱(chēng)的前提下，每一個(gè)費(fèi)密子都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的玻色子，反之亦然。物理學(xué)家需要解釋這種對(duì)稱(chēng)性”破滅”的原因：隨著宇宙冷卻并凝結(jié)成現(xiàn)在的這種不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，在其誕生之際所存在的完美就被打破了。Problem-5：為什么宇宙表現(xiàn)為一個(gè)時(shí)間維數(shù)和三個(gè)空間維數(shù)？除了上下、左右、前后，人們無(wú)法想像在更多的方向上運(yùn)動(dòng)。這并不意味著宇宙原本就是這樣的。實(shí)際上，根據(jù)超弦理論，肯定存在著另外6個(gè)維數(shù)，每一維都呈卷狀，十分微小，因而無(wú)法察覺(jué)。如果這一理論是正確的，那么為什么只有這3個(gè)維數(shù)是伸展開(kāi)來(lái)的呢？Problem-6：為什么宇宙常數(shù)有它自身的數(shù)值？它是否為零、是否真正恒定？直到最近，宇宙學(xué)家仍然認(rèn)為宇宙在以一個(gè)穩(wěn)定的速度膨脹。但最近的觀察發(fā)現(xiàn)，宇宙可能膨脹得越來(lái)越快。人們用一個(gè)叫宇宙常數(shù)的數(shù)字來(lái)描述這種加速。這個(gè)常數(shù)人們?cè)缙谡J(rèn)為是零。但根據(jù)一些基本計(jì)算，這個(gè)常數(shù)應(yīng)該很大。換句話說(shuō)，宇宙應(yīng)該以跳躍般的速度在膨脹。而實(shí)際情況并不是如此。有什么機(jī)制在壓制這種作用？Problem-7：M理論的基本自由度是多少？這一理論是否真實(shí)地描述了自然？多年來(lái)，超弦理論（M理論）最大的弱點(diǎn)是它有5個(gè)不同的版本。到底哪一個(gè)描述了宇宙？反對(duì)這一理論的人最近已經(jīng)接受了被稱(chēng)為M理論的最主要的11維超引力理論框架。但情況卻因此變得更加復(fù)雜。在M理論前，所有的亞原子都被說(shuō)成是由微小的超弦組成的。M理論組成亞原子的物質(zhì)增加了一種叫做”膜”的更為神秘的物質(zhì)，它就像生理學(xué)上的膜一樣，但最多有9個(gè)維數(shù)度。現(xiàn)在的問(wèn)題是，什么是更基本的物質(zhì)組成單位，是膜組成了弦還是剛好相反？或者另外存在著一些更基本的物質(zhì)單位，只是人們沒(méi)有想到罷了？最后，這兩種東西中是否有一種確實(shí)存在，或者M(jìn)理論僅僅是一種迷人的大腦游戲？Problem-8：黑洞信息悖論的解決方法是什么？根據(jù)量子理論，信息（無(wú)論它描述的是粒子運(yùn)動(dòng)的速度還是油墨顆粒組成的文件內(nèi)容）不會(huì)從宇宙中消失。但物理學(xué)家卻提出了一個(gè)固定的假設(shè)：如果你把一本大不列顛百科全書(shū)扔進(jìn)黑洞中去，將會(huì)發(fā)生什么事？正如物理學(xué)所定義的，信息僅指二進(jìn)制的數(shù)字，或是一些其他的代碼，它被用來(lái)精確地描述一個(gè)物體或一種方式。所以看起來(lái)那些特定的書(shū)本里的信息將被吞沒(méi)，并永遠(yuǎn)地消失。但人們覺(jué)得這是不可能的。一些科學(xué)家相信那些信息確實(shí)消失了。另一些科學(xué)家們推測(cè)信息其實(shí)并沒(méi)消失；它也許以某種形式顯示于黑洞表面，如同在一個(gè)宇宙中的銀幕上。Problem-9：何種物理學(xué)能夠解釋基本粒子的重力與其典型質(zhì)量之間的巨大差距？換言之，為什么重力比其他的作用力（如電磁力）要弱得多？例如：一塊磁鐵能夠吸起一個(gè)回形針，即便整個(gè)地球的引力在把回形針往下拉。根據(jù)最近的一種說(shuō)法，重力實(shí)際上要大得多。它僅僅是看上去比較弱而已，因?yàn)榇蟛糠种亓ο萑肓四骋粋€(gè)額外的維數(shù)度之中。如果我們可以用高能粒子加速器俘獲全部的重力，也許就有可能制造出微型黑洞。這看上去會(huì)引起垃圾處理業(yè)的興趣，但這些黑洞很可能剛一形成就消失了。Problem-10：我們能否定量地理解量子色動(dòng)力學(xué)中的夸克和膠子約束以及質(zhì)量差距的存在？根據(jù)量子色動(dòng)力學(xué)理論，微小的亞粒子永遠(yuǎn)受到約束。你