當今世界十大物理難題

【美國《紐約時報》2008年8月15日文章】題：需要兩千年思考的十大物理學 問題(作者 喬治·約翰遜) 100年前，德因數學家戴維·希爾伯特在巴黎的國際數學家大會上以一 番發人深省的話語開始了他劃時代的講話。他在講話中羅列了當時尚未解決 的23個重大難題。希爾伯特宣稱：「—個偉大時代的結束，不僅要求我們回 首過去，而且還引導我們回首對未知的將來進行深思。」隨著又一個世紀— —實際上是整整一個千年紀元——的結束，有一種要求顯得比以往任何時候 更為緊迫，那就是通過羅列最引人入勝的宇宙之謎來顯示人類的無知。 今年5月，馬薩諸塞州劍橋的克萊數學學會仿效希爾伯特，在巴黎宣布 了7道「千年大獎難題」，每道題懸賞100萬美元徵求解答。 無獨有偶，上月，存聖巴巴拉加州大學，物理學家們像通常那樣不事張 揚地結束了一次有關超弦理論的會議。他們的最後一次討論題為「干年瘋狂」， 議程是挑選出他們領域中10個最匪夷所思的問題。這就像是一場由科學界最 聰明的一批人參加的荒島遊戲。 聖巴巴拉加州大學的理論物理學家戴維·格羅斯在公布選出的問題時 說：「我是這樣考慮的：如果我從現在起昏迷100年，當我醒來時，我會問 什麼問題。」 在剔除一些大法問答的問題(例如「怎樣獲得終身職位?」)後，評委們 列出了足夠讓物理學家忙上100年的難題。儘管沒有任何懸賞，不過，解決 下列問題中的任何一個差不多都能保證獲得諾貝爾獎。 1．表達物理世界特徵的所有(可測量的)無量綱參數原則上是否都可以推算， 或者是否存在一些僅僅取決於歷吏或量子力學偶發事件，因而也是無法推算 的參數? 愛因斯坦的表述更為清楚：上帝在創造宇宙時是否有選擇?想像上帝坐 在控制台前，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? 2．量子引力如何幫助解釋宇宙起源? 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，而後者是有關引力的理淪。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 alltheories)。 3．質子的壽命有多長，如何來理解? 以前人們認為質子與中子不同，它永遠不會分裂成更小的顆粒。這曾 被當成真理。然而在70年代，理論物理學家認識到，他們提出的各種可能 成為「大一統理論」——該理論把除引力外的所有作用力匯於一爐——的 理論暗示：質子必須是不穩定的。只要有足夠長的時間，在極其偶然的情 況下，質子是會分裂的。 況下，質子是會分裂的。 辦法是捕捉到正在死去的質子。許多年來，實驗人員一直在地下實驗 空中密切注視大型的水槽，等待著原子內部質子的死去。但迄今未止質子 的死亡率是零，這意味著要麼質子十分穩定，要麼它們的壽命很長——估 計在10億億億億年以上。 4．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係，這種關係就是所 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，類似於傳遞光的光子。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衝動，他們把所謂的超級對稱粒子稱為 「Sparticle」。但由於在自然界中還沒有觀察到5particle，物理學家 還需要解釋這種對稱性「破滅」的原因：隨著宇宙冷卻並凝結成現在的這 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。 5．為什麼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、前後，人們無法想像在更多的方向上運動。這並不意味著宇宙原本就 是這樣的。實際上，根據超弦理論，肯定還存存著另外六個維數，每一維 都呈捲曲狀，十分微小，因而無法察覺。如果這一理論是正確的，那麼為 什麼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? 6．為什麼宇宙常數有它自身的數值?它是否為零，是否真正恆定? 直到最近，宇宙學家仍然認為宇宙是以一個穩定的速度在膨脹。但最 近的觀察發現，宇宙可能膨脹得越來越快。人們用一個叫宇宙常數的數字 來描述這種輕微的加速。這個常數是否如人們早期所認為的是零，或者是 一個非常小的數值，物理學家現在還無法做出解釋。 根據一些基本計算，這個常數 應該很大——是我們觀測結果的大約 10到122倍。換句話說，宇宙應該以跳躍般的速度在膨脹。而實際情況並 非如此，肯定有什麼機制在壓制這種作用。如果宇宙真是超對稱性的，那 宇宙常數就該被完全抵消掉。但這種對稱性——如果確實存在的話——看 來已經破滅。如果這個常數隨時間的變化而變化的話，那情況就更加複雜 了。 7．M理論的基本自由度( M理論的低能極限是 ll維的超引力，它包含5種 相容的超弦理論)是多少?這一理論是否真實地描述了自然? 多年來，超弦理論最大的弱點是它有5個不同的版本。到底哪一個—— 如果有的話——描述了宇宙?反對這一理論的人最近已經接受了被稱為 M理 論的最主要的 l l維理論框架。但情況卻因此變得更加複雜。 在 M里論前，所有的亞原子粒子都被說成是由微小的超弦組成的。M理 論給組成亞原子的物質增加了一種叫做「膜」(brane)的更為神秘的物質， 它就像生理學上的膜一樣，但最多有9個維數度。現在的問題是，什麼是更 基本的物質組成單位，是膜組成了弦還是剛好相反?或者另外存在著一些更 基本的物質單位，只是人們沒有想到罷了?最後，這兩種東西中是否有一種 確實存在，或者 M理論僅僅是一種迷人的大腦遊戲? 8，黑洞信息悖論的解決方法是什麼? 根據量子理論，信息——無淪它描述的是粒子運動的速度還是油墨顆 粒組成文件的確切方式——是不會從宇宙中消失的。但物理學家基普·索 恩、約翰·普雷希爾和斯蒂芬·霍金卻提出了一個固定的假設：如果你把 一本大不列顛百科全書扔進黑洞中去，將會發生什麼事?宇宙中是否有其他 同樣的百科全書是無關緊要的。正如物理學中所定義的，信息並不等同於 含義，信息僅指二進位的數字，或是一些其他的代碼，它被用來精確地描 述一個物體或一種方式。所以看起來那些特定的書本里的信息將被吞沒， 並永遠地消失。但人們覺得這是不可能的。 霍金博士和索恩博士相信那些信息確實消失了，而量子力學必須對此 作出解釋。普雷希爾博士推測信息其實並沒有消失；它也許以某種形式顯 示於黑洞的表面，如同在一個宇宙中的銀幕上。 9．何種物理學能夠解釋基本粒子的重力與其典型質量之間的巨大差距? 換言之，為什麼重力比其他的作用力(如電磁力)要弱得多?一塊磁鐵 能夠吸起一個回形針，即使整個地球的引力在把它往下拉。 根據最近的一種說法，重力實際上要大得多。它僅僅是看上去比較弱 而已，因為大部分重力陷入了某一個額外的維數度之中。如果我們可以用 高能粒子加速器俘獲全部的重力，也許就有可能製造出微型黑洞。雖然這 看上去會引起固體垃圾處理業的興趣，但這些黑洞很可能剛一形成就消失 了。 10，我們能否定量地理解量子色動力學中的夸克和膠子約束以及質量差距 的存在? 量子色動力學( QCD)是描述強核子力的理論。這種力由膠子攜帶，它 把夸克結合成質子和中子這樣的粒子。根據量子色動力學理論，這些微小 的亞粒子永遠受到約束。你無法把一個夸克或腦子從質子中分離出來，因 為距離越遠，這種強作用力就越大，從而迅速地把它們拉回原位。 但物理學家還沒有最終證明夸克和膠子永遠 不能逃脫約束。他們也不 能解釋為什麼所有能感受強作用力的粒子必須至少有一丁點兒的質量，為 什麼它們的質量不能為零。一些人希望 M理論能提供答案，這一理論也許 還能進一步闡明重力的本質。
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