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理论物理学中尚有疑问的五个大问题
发布时间: 2020-06-14 来源:互联网 点击次数:

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在2006年出版的颇具争议性的著作《物理学的麻烦:弦理论的兴起、科学的衰落以及下一步的发展》中,理论物理学家李·斯莫林指出了“理论物理学中的五个大问题”。

量子引力理论是理论物理研究的成果,既包括广义相对论又包括粒子物理学的标准模型的理论。目前,这两个理论描述了不同的自然尺度,并且试图探索其重叠的尺度,而这些尺度所产生的结果并不十分重要,例如引力(或时空曲率)会变得无限大。物理学家们毕竟从未见过真正无限的自然,他们也不想看到。

了解量子物理学的一个问题是,它所涉及的物理基础是什么。量子力学中有很多种解释:哥本哈根解释,休·埃弗雷特二世有争议的多世界解释,甚至还有更多具有争议性的解释,不如参与性的人择原理。在这些解释中出现的问题是关于量子波函数崩溃的真实原因。

多数研究量子场论的现代物理学家不再把这些解释与问题联系起来。对很多人来说,退相干原理就是通过解释与环境的相互作用而导致量子坍塌。而且,物理学家能够解出方程式,进行实验,并在实践物理时,并不需要解决在基础水平上所发生的实际问题,因此,大多数物理学家并不想研究这些奇怪的问题。

物理学的基本力有四种,而粒子物理学的标准模型只包含其中三种力(电磁力,强核,弱核)。重力不在标准模型中考虑。把这四种力统一为一个统一的场论,创建一个理论体系,是理论物理学的一个重要目标。因为粒子物理学的标准模型是量子场论,所以任何统一都必须包含引力,这就意味着问题3和问题1之间是有联系的。

此外,粒子物理学的标准模型中有许多不同的粒子——总共有18个基本粒子。很多物理学家认为,基本的自然理论应该有某种方式去统一这些粒子,所以要用更基础的术语来描述它们。举例来说,在这些方法中定义得最清楚的弦理论预言,所有粒子都是能量丝或弦的不同振动模式。

理论物理模型是一种数学框架,需要设定预测参数。对于粒子物理的标准模型,参数用18个粒子来表示,也就是说,参数是通过观测来测量的。

但有些物理学家认为,该理论的基本物理原理应该是独立于测量的。过去,统一场论曾引起过极大的兴趣,也引发了爱因斯坦的著名问题:“上帝在创造宇宙时有没有任何选择?”宇宙的属性在本质上决定了宇宙的形态?这是因为如果形式不同,这些属性就无效了。

根据不同的物理参数、原始能量状态等等,这一问题的答案似乎强烈地倾向于这样一个观点,即我们的宇宙只是其中可能的一个。这样的话,问题就变成了为什么我们的宇宙有这样精细的属性来允许生命存在。这就是所谓的“微调问题”,它促使一些物理学家转向了人类学原理来进行解释,这就要求我们的宇宙具有它所具有的特性,因为如果它是不同的特性,我们在这里就不会提出这个问题。

宇宙仍然有许多神秘之处,但是最让物理学家烦恼的是暗物质和暗能量。这类物质和能量是被其重力作用所探测,但无法直接观察到,因此物理学家们仍在努力弄清它们是什么。然而,有些物理学家已经提出了对这些引力影响的代替解释,这种解释并不要求新的物质和能量形式,但这些代替对大多数物理学家来说是不受欢迎的。

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