盤點現代物理學七大經典問題

圖1經典物理問題

　　國外媒體近日盤點了7大令人費解的現代物理學問題。

圖2星系群阿貝爾1689

　　相對論

　　相對論是物理學中兩大著名理論之一，兩者都是阿爾伯特·愛因斯坦提出的。1905年愛因斯坦出版了狹義相對論，後者確定最終宇宙速度極限：光速。並稱時間因某物體移動的速度而實現加速或者減慢。

　　1916年愛因斯坦提出了更廣闊的廣義相對論。這個理論建立在狹義相對論之上，主要解決重力的問題，重新定義我們對重力的理解——通過大質量天體而造成的時空扭曲。

　　廣義相對論最準確的描述了整個宇宙中的星系和星系集群的運動。它還預測了奇怪物體的存在，比如黑洞以及引力透鏡效應的現象，後者是指光在經過彎曲的時空中會發生彎曲。比如圖中顯示的星系群阿貝爾1689，因我們所觀測到的引力透鏡效應而聞名。

　　圖3

　　什麼是量子力學？

　　量子力學是非常小的領域——亞原子粒子中的主要物理學理論。該理論形成於20世紀早期，徹底改變了科學家對物質組成成分的觀點。在量子世界，粒子並非是撞球，而是嗡嗡跳躍的概率雲，它們並不只存在一個位置，也不會從點A通過一條單一路徑到達點B。根據量子理論，粒子的行為常常像波，用於描述粒子行為的「波函數」預測一個粒子可能的特性，諸如它的位置和速度，而非實際的特性。物理學中有些怪異的想法，諸如糾纏和不確定性原理，就源於量子力學。

　　圖4

　　什麼是弦理論？

　　弦理論（以及它的升級版超弦理論）認為所有的亞原子粒子都並非是小點，而是類似於橡皮筋的弦。粒子類型的唯一區別在於弦振動的頻率差異。弦理論主要試圖解決表面上的不兼容的兩個主要物理學理論——量子力學和廣義相對論——並欲創造的描述整個宇宙的「萬物理論」。然而這項理論非常難測試，並需要對我們目前描繪的宇宙進行一些調整，也即宇宙一定存在比我們所知的四維空間更多的時空維度。科學家認為這些隱藏的維度可能捲起到非常小以至於我們沒有發現它們。

　　圖5

　　什麼是奇點？

　　奇點是指時空開始無限彎曲的那一個點。科學家認為奇點存在於黑洞中央，一個奇點可能自宇宙大爆炸起宇宙如何開始的起點。比如，在黑洞內部，所有恆星的質量都在狹小的空間內壓縮，甚至可能成為一個單一的點。當代物理學理論認為這個點是無限密集，儘管科學家認為它是因廣義相對論和量子力學的不一致而導致物理學崩潰的產物。事實上，科學家懷疑奇點是非常密集，但並非無限密集。

　　圖6

　　什麼是不確定性原理？

　　德國物理學家海森堡1927年提出的不確定性原理是量子力學的產物。這項原則陳述了精確確定一個粒子，例如原子周圍的電子的位置和動量是有限制。這個不確定性來自兩個因素。首先測量某東西的行為將會不可避免地擾亂那個事物，從而改變它的狀態。其次，因為量子世界不是具體的，但基於概率，精確確定一個粒子狀態存在更深刻更根本的限制。

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　　什麼是薛定諤的貓？

　　「薛定諤的貓」是由奧地利物理學家薛定諤於1935年提出的理想實驗的名字，它描述了量子力學的真相：粒子的某些特性無法確定，直到測量外力迫使它們選擇。整個實驗是這樣進行的：在一個盒子里有一隻貓，以及少量放射性物質。在一小時內，大約有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓，剩下50%的概率是放射性物質不會衰變而貓將活下來。

　　根據經典物理學，在盒子里必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果。但在量子力學的怪異世界裡，貓到底是死是活都必須在盒子打開後，外部觀測者「測量」具體情形才能知曉。當盒子處於關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的狀態，貓既是死的也是活的。這項實驗旨在論證怪異的量子力學，當它從粒子擴大宏觀物體，諸如貓，聽起來非常荒謬。

　　圖8

　　什麼是量子糾纏？

　　糾纏是關於量子力學理論最著名的預測。它描述了兩個粒子互相糾纏，即使相距遙遠距離，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態。當其中一顆被操作（例如量子測量）而狀態發生變化，另一顆也會即刻發生相應的狀態變化。

　　阿爾伯特·愛因斯坦將量子糾纏稱為「鬼魅似的遠距作用」（spooky action at a distance）。但這並不僅僅是個詭異的預測，而是已經在實驗中獲得的現象，比如科學家通過向兩個處於室溫的糾纏的小鑽石發射激光（圖中綠色）。科學家希望未來能夠建造量子計算機，利用粒子糾纏進行超高速計算。（編譯/嚴炎劉星）