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7個讓物理學家夜不能寐的問題
7個讓物理學家夜不能寐的問題
中科院物理所     阅读简体中文版

盡管幾乎所有的物理學家都不存在睡眠問題,但在被問及“關于‘從量子到宇宙’,什么難題能讓你夜不能寐?”后,我們得到了下面的七個答案。


1.為什么是這個宇宙?


在不斷追尋自然界基本規律的過程中,物理學家們一直試圖在搞清楚一個長期懸而未決的問題:為什么宇宙是我們所看到的這個樣子。為什么我們居住的空間是 3 維,而不是 2 維、10 維或者 25 維?為什么光速是如此之快而音速是如此之慢?為什么原子是如此之渺小,而恒星又是如此之碩大?為什么宇宙是如此的年老?如果還存在其他的物理定律,那是不是意味著在其他地方還存在著不同的宇宙?“對于我們所處的宇宙來說,也許我們最終會發現它別無其他的可能,只能是這個樣子,”美國加州理工學院的物理學家肖恩·卡羅爾(Sean Carroll)說,“但我懷疑這并不正確。”很容易想象,如果自然界允許不同的宇宙擁有不同的物理規律,那么這個問題就變成了,在我們這個宇宙中為什么是這些物理定律而不是其他的?

肖恩·卡羅爾(Sean Carroll)


2.世間萬物由什么組成?


現在已經清楚地知道,普通物質——原子、恒星和星系——只占據了整個宇宙的 4%。美國密歇根大學的物理學家凱瑟琳·弗里茲(Katherine Freese)則致力于弄清楚其余的 96% 是什么。每個星系都包含有暗物質,也正是這些不為人知的物質使得我們所居住的銀河系免于瓦解。當暗物質聚集到相當數量的時候,它們就會發生碰撞湮滅,產生電子、質子、正電子和反質子。弗里茲非常興奮,因為暗物質的性質即將被解開。美國宇航局費米 γ-射線空間望遠鏡的最新觀測數據證實,銀河系中暗物質粒子之間正在以能被我們觀測到的速率在湮滅,這將揭示出它們的性質。但是對驅動宇宙加速膨脹的暗能量的發現又帶來了一系列新的難題,且在短時間恐怕難以有所進展。這些問題包括暗能量自身的特性是什么?為什么它是如此之小,能讓星系和恒星得以形成以及生命出現在這個宇宙中?

凱瑟琳·弗里茲(Katherine Freese)


3.復雜性是如何產生的?


從金融市場的不可預測行為到生命的出現,美國芝加哥大學的物理學家和應用數學家利奧·卡德納諾夫(Leo Kadananoff)則致力于復雜系統的出現。他担心,如果粒子物理學家和宇宙學家僅僅關注最小和最大尺度的東西,那么他們將會錯過非常重要的東西。“我們仍然不知道窗玻璃是如何保持它的形狀的,”卡德納諾夫說,“因此研究我們熟悉的事物也同樣的重要。”只有破解了簡單的成分和簡單的相互作用如何產生出復雜的現象之后,生命才有可能真正被了解。

利奧·卡德納諾夫(Leo Kadananoff)


4.弦理論會被證明是正確的嗎?


劍橋大學的物理學家戴維·堂(David Tong)則著迷于弦理論的數學之美。弦理論認為我們觀測到的基本粒子并不是“點”狀的而是微小的“弦”。但當他意識到興許在他的有生之年也無法知道這一理論是否真的能描述宇宙萬物的時候,他也感到了茫然。即使是大型強子對撞機和“普朗克”衛星這些旨在揭示出新物理學的實驗也無法對弦理論下任何決定性的結論。另一方面,有些弦理論預言自然界還存在一種極其微弱的力,對于不同組成的物質它會使得引力發生微小的變化,這就會使得不同的物體在引力場中以不同的速度下落。但這一差別遠遠小于目前可測量的范疇。不過當他知道弦理論中的方法還可以用于其他更實際的問題——例如,夸克的行為和特殊金屬——時,他也感到了一絲欣慰。“這是一個有用的理論,”堂說,“因此我正試圖專注于它的應用。”

戴維·堂(David Tong)


5.什么是奇點?


對于宇宙學家、圓周研究所主任尼爾·圖羅克(Neil Turok)來說,讓他無法入睡的問題則是世間一切的起始——大爆炸。在宇宙創生之時,它處于溫度和密度都無窮大的狀態——奇點,所有已知的物理定律在那時都會失效。“我們不知道該如何描述它,”他說,“任何一個囊括所有物理的理論怎么能不包含它?”為了避免宇宙創生的奇點,他參與提出了“火劫”理論。這一理論認為,我們所處的世界是至少10維的宇宙中的一張低維膜,兩個分立的三維膜會沿著垂直的維度前后震蕩。每一萬億年左右,這兩個膜就會彼此靠近并且碰撞,碰撞會釋放出一個火球進而使得每個宇宙“重生”。同時,圖羅克還寄希望于弦理論以及相關的“全息原理”。根據全息原理,一個三維的奇點可以被轉換為二維空間中一個在數學上更容易處理的東西。這也許意味著第三維和引力只不過是一種“幻影”。他說:“這些工具給我了一條思考這一問題的新途徑,并且它在數學上非常讓人滿意。”

尼爾·圖羅克(Neil Turok)


6.什么是真正的實在?


物質世界在一定程度上可能超出了我們的認識,但是維也納大學的物理學教授安東·蔡林格(Anton Zeilinger)認為物理學家僅僅是抓住了它的表面。量子力學中經常會出現古怪而難以想像的現象,例如一個粒子可以同時出現在兩個地方。然而隨著我們從原子大小的尺度進入蘋果大小的尺度,模糊的量子世界便讓位給了我們熟知的、確定的經典物理世界。蔡林格的專長是量子實驗,他的小組通過富勒烯(碳60)之間的量子干涉證明了測量儀器的選擇決定了被測物體的行為是量子的還是經典的。這同時也彰顯了觀測者對物理實在(實驗結果)的影響。他說:“也許當我們開始了解實在、知識和我們行動之間的聯系時,真正的突破就會到來。”這一觀點看似虛幻,但卻是實實在在的。蔡林格和其他人已經證明,彼此遠離的粒子的量子態有著某種聯系,因此觀測其中一個就為影響另一個的狀態。還沒有人知道這一現象背后的真正原因。

安東·蔡林格(Anton Zeilinger)


7.物理學有沒有終點?


也許最大的問題是,自伽利略和開普勒以來不斷探索這個宇宙的過程是否正在臨近終點。美國亞利桑那州立大學的勞倫斯·克勞斯(Lawrence Krauss)說:“我担心我們已經到達了實證科學的極限。”他想知道,為了了解我們的宇宙為什么會如此是否必須要認知其他的宇宙。如果這些認識是無法企及的,那也許這就是進一步深化我們對這個宇宙認識過程的終點。人們習慣于把理論物理的進展看成是某種偶然,是否存在一條途徑可以加速我們的認識和發現。

勞倫斯·克勞斯(Lawrence Krauss)


當蘋果砸到牛頓頭上的時候(傳言),那年他25歲,隨后他提出了引力定律并發展了微積分。同樣也是在25歲,愛因斯坦提出了相對論,狄拉克提出了相對論性量子力學方程。也正是在這個年齡海森堡給出了量子力學的矩陣形式(矩陣力學)。因此美國賓夕法尼亞大學的高能理論物理學家吉諾·西格雷(Gino Segre)鼓勵年輕人勇于思索一些奇特、怪異的想法。這也許將會是科學的終點,也可能會是更激動人心的事物的開端。

(來源:科學畫報)


2015-08-23 08:42

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