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引领物理学未来的25个问题(1)

李凯方 witten [随感] 2013-03-14 12:16:06 星期四 晴天 查看:137 回复:0 发消息给作者

       炸药奖得主D.Gross于2006去了中科院理论所作了一次演讲,提出了引领物理未来的 25个问题。我当时还去听了这次演讲,受益匪浅,现

在把问题罗列出来。先列12个,以后再列剩余的。其中黑体字是原问题,非黑体字是我的评论。

 

1,宇宙起源:物理学中一个重要的问题是宇宙是如何起源的。宇宙学观测表明宇宙是膨胀着的。通过对微波背景辐射和宇宙大尺度结构等的观测,宇宙的历史可以追溯到极早期发生的大爆炸。我们所知的基本物理,比如广义相对论和粒子物理标准模型,在那里都不适用了。为理解宇宙的起源,我们需要了解在大爆炸时期的基本物理。
这个问题关系到宇宙的创生,其重要性自然是不言而喻的。现在一般认为宇宙来源于一次大爆炸,更重要的是 大爆炸之前发生了什么,才能爆炸成我们现在看到的平坦的均匀的宇宙,也就是爆炸初始条件的问题。现在广为接受的理论是宇宙大爆炸之前还发生了一次暴涨,虽然也有其他的理论,但无疑暴涨理论是和现在试验数据拟合得最好的,所以被广泛地接受。

 

 

2,暗物质的本质。

暗物质占了宇宙物质总量的23%,了解它自然是非常重要的。近期一个

重要的实验发现是暗物质会衰变成正负电子对,也就是暗物质可能不暗了。

 

 

3,暗能量的本质:现代宇宙学的观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量。但是它们的起源仍然是基础物理的一个迷。

 暗能量占了宇宙物质总量的72%,它的性质决定着宇宙未来的命运,假如暗能量密度是一个恒量,大小不依赖地点也不依赖时间。如果是这样,宇宙将无止境地膨胀下去,恒星和星系将消失,人类也很难维持文明。另一种可能是能量密度越来越小,对人类来说这是最好的可能。第三种可能是密度越来越大,天体之间的斥力也越来越大,最终导致大撕裂,即所有物质包括分子原子都被撕裂,这是宇宙的终结。令人害怕的是,有一些观测证据支持这种观点。 现在暗能量的理论很多,但我更倾向于暗能量是量子引力在宏观上的表现,只是还不知道如何把暗能量和量子引力联系上。


4,恒星、行星的形成:天体物理学中,各种天体如恒星、行星等是如何形成的是一个很重要的物理问题。适合生物存在的行星在银河系中出现的几率又是多少?

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5,广义相对论:广义相对论在所有尺度上都是正确的吗?

 

 

霍金证明的奇点定理后,人们就知道广义相对论在微观尺度不适用了,

现在还有一个观点就是广义相对论在大尺度上也需要修改,所谓大尺

度就是相当宇宙这么大的尺度。

 
6,量子力学:量子力学取得了巨大的成功,但是它是描述自然的最终理论吗?也许,量子力会在非常小距离上和非常复杂的系统中失效。进一步地,量子力学是否可以刻画整个宇宙也是一个值得探讨的问题。

量子力学的基本假设太多,从美学上来说是不完美的,所以我们有理由

认为量子力学不是最终理论。

7,标准模型:粒子物理标准模型无疑取得了的巨大的成功。但是人们并没有理解夸克和轻子的质量混合的物理起源和中微子的质量等等。标准模型之谜有待更多的探索。

 标准模型虽然经受住了无数的实验的检验,但还有一个希格斯玻色子

没找到,而这个希格斯玻色子关系到夸克和轻子的质量起源。标准模

太完美了,至今都还没发现超出标准模型的物理实验。

8,超对称:存在低能超对称吗?超对称伴子的质量谱是什么?

一种很美的对称性,借助这种对称性很多物理问题都能解决,但现在

还没发现这种对称性。

9,量子色动力学(QCD):量子色动力学可以完全求解吗?

 完全求解QCD能让我们知道夸克禁闭和强子质量之谜,同时也可以更

好的计算强子衰变。

10, 弦论:超弦理论是一个有望成功地统一自然相互作用的理论。但是超弦理论理论到底是什么?

超弦被广泛的研究已经有20多年了,但我们仍不知超弦理论到底是什

么,原因是我们还知道当超弦相互作用很强时该怎么描述。以前我被

超弦理论之美所折服,但现在有点保留了,因为一是它的确是离现实

物理太遥远了一点,二是它作为一个量子引力理论不能给暗能量一个

很好地解释。

11, 时空的观念:时空是什么?超弦理论最终可能会放弃时间和空间这两个概念,从而改变人们对时空的认识。

 只从爱因斯坦创立相对论后,时空就不像我们想象得这么简单了。广义

相对论把时空和引力等价后,那么量子引力理论实际上就是量子时空理论, 时空也许不再基本。现在的的物理有7个基本单位,其中两个就是

描述空间的米,以及描述时间的秒,很多物理定律都是以时间和空间来

表达的,如果时空都不在基本,那么很多物理定律需要从新来表达。

 

 

12, 物理理论是否与环境相关:表征物理的基本参数和规律是可以计算的,还是仅仅由历史的或者量子的偶然性决定的,或者是由人择原理来确定的?景观(landscape)的图像是对的吗?

 

人的存在在我们眼中是天经地义的,就像日月星辰,山川土地的存在一

样自然。物理学学习到一定程度,我们就会知道,世界上很多存在和现

象与物理定律密切相关。如果我们稍微改变一点物理定律,世界可能就

完全不同,例如,将万有引力的强弱变化一些,太阳也许还存在,但大

小完全不是现在这个样子。将电子电荷变化一点,分子原子的大小完全

不同,人类也许因此不复存在。每一个物理定律和物理常数就像一个收

音机调台钮,旋动一点,生命和智慧就会消失。



 

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