Question

世界十大物理难题

Answer 1

世界十大物理难题如下：

1．表达物理世界特征的所有 (可测量的)无量纲参数原则上是 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 霉件，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，准备引发宇宙 大爆炸。“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?”56我该把普朗克常数-- 即决定量子大小的参数--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?

2．量子引力如何帮助解释字宙起源?

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 家希望合二为一，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 这种融合的首要候选理论是超弦 理论，或者叫M理论--这是其 名称的最新“升级版”，M代表“魔 法”(magic)、“神秘”(mystery)或 “所有理论之母”(mother of all the- ories)。

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70年 代，理论物理学家认识到，他们提 出的各种可能成为“大一统理论” --该理论把除引力外的所有作 用力汇于一炉--的理论暗示：质 子必须是不稳定的。只要有足够 长的时间，在极其偶然的情况下， 质子是会分裂的。

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，等待着原于内部质子的死去。但 迄今为止质子的死亡率是零，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 亿亿亿年以上。

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，把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理论要求证明两种差异极 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；另一种粒子是玻色于，它们是传递作用力的粒子，类似于传递光的光子。在超对称的条件下，每一个费密子都有一个与之对应的玻色子，反之亦然。

物理学家有杜撰古怪名字的冲动，他们把所谓的超级对称粒 子称为“sparticle”。但由于在自然 界中还没有观察到sparticle，物理学家还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数学上的完美被打破了。

5．为什么宇宙表现为一个时 间维数和三个空间维数?

这只是因为还没有想到一个 可以接受的答案，只是因为除了 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，肯定还存在着 另外六个维数，每一维都呈卷曲 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 么只有这三个维数是伸展开来 的，留给我们这个相对幽闭恐怖 的空间呢?

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 为宇宙是以一个稳定的速度在膨 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轻微 的加速。这个常数是否如人们早 期所认为的是零，或者是一个非 常小的数值，物理学家现在还无 法做出解释。

根据一些基本计算，这个常 数应该很大--是我们观测结果 的大约10到122倍。换句话说，宇 宙应该以跳跃般的速度在膨胀。 而实际情况并非如此，肯定有什 么机制在压制这种作用。如果宇 宙真是超对称性的，那宇宙常数 就该被完全抵消掉。但这种对称 性--如果确实存在的话--看 来已经破灭。如果这个常数随时 间的变化而变化的话，那情况就 更加复杂了。

7．M理论的基本自由度(M 理论的低能极限是11维的超引 力，它包含5种相容的超弦理论) 是多少?这一理论是否真实地描 述了自然？

多年来，超弦理论最大的弱 点是它有5个不同的版本。到底哪 一个--如果有的话--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 粒子都被说成是由微小的超弦组 成的。M理论给组成亚原子的物 质增加了一种叫做“膜”(brane)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2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?

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 油墨颗粒组成文件的确切方式 --是不会从宇宙中消失的。但物 理学家基普·索思、约翰·普雷希 尔和斯蒂芬·霍金却提出了一个 固定的假设：如果你把一本大不列 额百科全书扔进黑洞中去，将会发 生什么事?宇宙中是否有其他同样 的百科全书是无关紧要的。

正如物 理学中所定义的，信息并不等同于 含义，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。

霍金博士和索思博士相信那 些信息确实消失了，而量子力学必 须对此作出解释。普雷希尔博士 推测信息其实并没有消失；它也许 以某种形式显示于黑洞的表面，如 同在一个宇宙中的银幕上。

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？一块 磁铁能够吸起一个回形针，即使整 个地球的引力在把它往下拉。

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，因为大部分重力隐入 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。虽然这看上去会引 起固体垃圾处理业的兴趣，但这些 黑洞很可能刚一形成就消失了。

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以及质量差距的存在?

量子色动力学(QCD)是描述 强核子力的理论。这种力由胶于 携带，它把夸克结合成质子和中于 这样的粒子。根据量子色动力学 理论，这些微小的亚粒子永远受到 约束。你无法把一个夸克或胶子 从质子中分离出来，因为距离越 远，这种强作用力就越大，从而把， 它们拉回原位。

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，这一理论也许还能提供答案，这一理论也许还能进一步阐明重力的本质。