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論當前物理學存在的幾個難題
論當前物理學存在的幾個難題
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當前,物理學的基礎理論發展全面遇到了困難,20世紀90年代以后所召開的世界性的物理學學術會議都要談到物理學的困境,一些有哲學眼光的科學家,開始懷疑整個物理學的基礎理論是否存在著嚴重問題。有人總結說:20世紀初物理學上空的“兩朵烏云”,不僅未消,如今反倒平添了許多。

1,相對論的某些問題

隨著科學技術的發展,相對論所存在的某些問題逐漸暴露。雖然相對論成功地解釋了一些物體高速運動現象,但是它所推出的相對性效應的關系式卻是一個發散型函數,在運用到物理實驗過程中卻總是出問題。例如,在確定高速運動粒子能量時,總會遇到能量發散的困難,以后雖然用重新定義靜止質量的辦法,通過“重整化”避免了危機,但這種數學形式上的彌補,只是掩蓋了表面矛盾,物理實驗中的真實矛盾并沒有解決。可以說,當前物理學出現的一系列與相對論有關的問題和困難大部分都來源于此關系式。根據有關文獻評考,全部觀察實驗和理論研究中涌現出的基本疑難,大多與相對論有關。

2. 量子引力的發展期望

    現代物理學的兩大理論是標準模型和廣義相對論.前者利用量子力學來描述亞原子粒子以及它們所服從的作用力,而后者是有關引力的理論.很久以來,物理學家希望合二為一,得到一種“萬物至理”--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.實現這種融合的首要候選理論是超弦理論,或者叫M理論--這是其名稱的最新“升級版”,M代表“魔法”(magic)、“神秘”(mystery)或“所有理論之母”(mother of all theories).

    愛因斯坦有如下表述:上帝在創造宇宙時是否有選擇?想象上帝坐在控制臺前,準備引發宇宙大爆炸.“我該把光速定在多少”?“我該讓這種名叫電子的小點帶多少電荷”?“我該把普朗克常數--即決定量子大小的參數--的數值定在多大”?他是不是為了趕時間而胡亂抓來幾個數字?抑或這些數值必須如此,因為其中深藏著某種邏輯?

3,有幾維空間

對重力真正性質的研究也會帶來這樣的疑問:空間是否不僅僅限于我們能輕易觀察到的四維。

  這就將我們引向一些線性理論學家對重力的解釋,其中就包括其他維的空間。開始的宇宙線性理論模型將重力和其他三種力在復雜的11維宇宙中結合起來。在那個宇宙--也就是我們宇宙中--其中的7維隱藏在超乎想像的微小空間中,以至于我們無法覺察到。弄懂這些多維空間的一個辦法是,想像一個蛛網的一根絲。用肉眼來看,這根細絲只是一維的,但在高倍放大鏡下,它就分解成了一個有相當寬度、廣度和深度的物體。線性理論學家說,我們之所以看不見其他維的空間,只是因為缺少能將它們分解的精密儀器。

    為什么宇宙表現為一個時間維數和三個空間維數?

    這只是因為還沒有想到一個可以接受的答案,只是因為除了上下、左右、前后,人們無法想像在更多的方向上運動.這并不意味著宇宙原本就是這樣的.實際上,根據超弦理論,肯定還存在著另外六個維數,每一維都呈卷曲狀,十分微小,因而無法察覺.如果這一理論是正確的,那么為什么只有這三個維數是伸展開來的,留給我們這個相對幽閉恐怖的空間呢?

4,什么是暗物質與暗能量

宇宙學最近的兩個發現證實,普通物質和暗物質還不足以解釋宇宙的結構。還有第二種成分,它不是物質而是某種形式的暗能量。

  這種神秘成分存在的一個證據,來源于對宇宙構造的測量。愛因斯坦認為,所有物質都會改變它周圍時空的形狀。因此,宇宙的總體形狀由其中的總質量和能量決定。最近對大爆炸剩余能量的研究顯示,宇宙有著最為簡單的形狀--是扁平的。這也反過來揭示了宇宙的總質量密度。但天文學家在將所有暗物質和普通物質的可能來源加起來之后發現,宇宙的質量密度仍少了2/3。

 5. 自然界是超對稱的嗎?如果是,超對稱性是如何破滅的?

  許多物理學家認為,把包括引力在內的所有作用力統一成為單一的理論要求證明兩種差異極大的粒子實際上存在密切的關系,這種關系就是所謂的超對稱現象.第一種粒子是費密子,可以把它們粗略地說成是物質的基本組件,就像質子、電子和中子一樣.它們聚集在一起組成物質.另一種粒子是玻色子,它們是傳遞作用力的粒子,類似于傳遞光的光子.在超對稱的條件下,每一個費密子都有一個與之對應的玻色子,反之亦然.

  物理學家有杜撰古怪名字的沖動,他們把所謂的超級對稱粒子稱為“sparticle”.但由于在自然界中還沒有觀察到sparticle,物理學家還需要解釋這種對稱性“破滅”的原因:隨著宇宙冷卻并凝結成現在的這種不對稱狀態,在其誕生之際所存在的數學上的完美被打破了.

    物理學的基礎理論,已經滲透到了物理學的各個分支學科中,其影響極深極廣,任何一點變動都會“牽一發而動全身”。物理學理論不允許有空白階段。不過相信在未來,會有更加偉大的理論誕生,建立更為深廣的理論體系,到那時,人類社會也將會面臨一次更為重大的變革。

2011-02-22 01:50

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