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【美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》2008年8月15日文章】題：需要兩千年思考的十大物理學(xué) 問(wèn)題(作者 喬治·約翰遜) 100年前，德因數(shù)學(xué)家戴維·希爾伯特在巴黎的國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)上以一 番發(fā)人深省的話語(yǔ)開(kāi)始了他劃時(shí)代的講話。他在講話中羅列了當(dāng)時(shí)尚未解決 的23個(gè)重大難題。希爾伯特宣稱(chēng)：“—個(gè)偉大時(shí)代的結(jié)束，不僅要求我們回 首過(guò)去，而且還引導(dǎo)我們回首對(duì)未知的將來(lái)進(jìn)行深思?！彪S著又一個(gè)世紀(jì)— —實(shí)際上是整整一個(gè)千年紀(jì)元——的結(jié)束，有一種要求顯得比以往任何時(shí)候 更為緊迫，那就是通過(guò)羅列最引人入勝的宇宙之謎來(lái)顯示人類(lèi)的無(wú)知。 今年5月，馬薩諸塞州劍橋的克萊數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)仿效希爾伯特，在巴黎宣布 了7道“千年大獎(jiǎng)難題”，每道題懸賞100萬(wàn)美元征求解答。 無(wú)獨(dú)有偶，上月，存圣巴巴拉加州大學(xué)，物理學(xué)家們像通常那樣不事張 揚(yáng)地結(jié)束了一次有關(guān)超弦理論的會(huì)議。他們的最后一次討論題為“干年瘋狂”， 議程是挑選出他們領(lǐng)域中10個(gè)最匪夷所思的問(wèn)題。這就像是一場(chǎng)由科學(xué)界最 聰明的一批人參加的荒島游戲。 圣巴巴拉加州大學(xué)的理論物理學(xué)家戴維·格羅斯在公布選出的問(wèn)題時(shí) 說(shuō)：“我是這樣考慮的：如果我從現(xiàn)在起昏迷100年，當(dāng)我醒來(lái)時(shí)，我會(huì)問(wèn) 什么問(wèn)題。” 在剔除一些大法問(wèn)答的問(wèn)題(例如“怎樣獲得終身職位?”)后，評(píng)委們 列出了足夠讓物理學(xué)家忙上100年的難題。盡管沒(méi)有任何懸賞，不過(guò)，解決 下列問(wèn)題中的任何一個(gè)差不多都能保證獲得諾貝爾獎(jiǎng)。 1．表達(dá)物理世界特征的所有(可測(cè)量的)無(wú)量綱參數(shù)原則上是否都可以推算， 或者是否存在一些僅僅取決于歷吏或量子力學(xué)偶發(fā)事件，因而也是無(wú)法推算 的參數(shù)? 愛(ài)因斯坦的表述更為清楚：上帝在創(chuàng)造宇宙時(shí)是否有選擇?想象上帝坐 在控制臺(tái)前，準(zhǔn)備引發(fā)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(diǎn)帶多少電荷?”“我該把普朗克常數(shù)——即決定量子大小 的參數(shù)——的數(shù)值定在多大?”他是不是為了趕時(shí)間而胡亂抓來(lái)幾個(gè)數(shù)字?抑 或這些數(shù)值必須如此，因?yàn)槠渲猩畈刂撤N邏輯? 2．量子引力如何幫助解釋宇宙起源? 現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論是標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論。前者利用量子力學(xué)來(lái) 描述亞原子粒子以及它們所服從的作用力，而后者是有關(guān)引力的理淪。很久 以來(lái)，物理學(xué)家希望合二為一，得到一種“萬(wàn)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(shí)現(xiàn)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(chēng)的最新 “升級(jí)版”，M代表“魔法”( magic)、“神秘”( mystery)或“所有理論 之母”( mother of alltheories)。 3．質(zhì)子的壽命有多長(zhǎng)，如何來(lái)理解? 以前人們認(rèn)為質(zhì)子與中子不同，它永遠(yuǎn)不會(huì)分裂成更小的顆粒。這曾 被當(dāng)成真理。然而在70年代，理論物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到，他們提出的各種可能 成為“大一統(tǒng)理論”——該理論把除引力外的所有作用力匯于一爐——的 理論暗示：質(zhì)子必須是不穩(wěn)定的。只要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間，在極其偶然的情 況下，質(zhì)子是會(huì)分裂的。 況下，質(zhì)子是會(huì)分裂的。 辦法是捕捉到正在死去的質(zhì)子。許多年來(lái)，實(shí)驗(yàn)人員一直在地下實(shí)驗(yàn) 空中密切注視大型的水槽，等待著原子內(nèi)部質(zhì)子的死去。但迄今未止質(zhì)子 的死亡率是零，這意味著要么質(zhì)子十分穩(wěn)定，要么它們的壽命很長(zhǎng)——估 計(jì)在10億億億億年以上。 4．自然界是超對(duì)稱(chēng)的嗎？如果是，超對(duì)稱(chēng)性是如何破滅的? 許多物理學(xué)家認(rèn)為，把包括引力在內(nèi)的所有作用力統(tǒng)一成為單一的理 論要求證明兩種差異極大的粒子實(shí)際上存在密切的關(guān)系，這種關(guān)系就是所 謂的超對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。 第一種粒子是費(fèi)密子，可以把它們粗略地說(shuō)成是物質(zhì)的基本組件，就 像質(zhì)子、電子和中子一樣。它們聚集在一起組成物質(zhì)。另一種粒子是玻色 子，它們是傳遞作用力的粒子，類(lèi)似于傳遞光的光子。在超對(duì)稱(chēng)的條件下， 每一個(gè)費(fèi)密子都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的玻色子，反之亦然。 物理學(xué)家有杜撰古怪名字的沖動(dòng)，他們把所謂的超級(jí)對(duì)稱(chēng)粒子稱(chēng)為 “Sparticle”。但由于在自然界中還沒(méi)有觀察到5particle，物理學(xué)家 還需要解釋這種對(duì)稱(chēng)性“破滅”的原因：隨著宇宙冷卻并凝結(jié)成現(xiàn)在的這 種不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，在其誕生之際所存在的數(shù)學(xué)上的完美被打破了。 5．為什么宇宙表現(xiàn)為一個(gè)時(shí)間維數(shù)和三個(gè)空間維數(shù)? 這只是因?yàn)檫€沒(méi)有想到一個(gè)可以接受的答案，只是因?yàn)槌松舷?、? 右、前后，人們無(wú)法想像在更多的方向上運(yùn)動(dòng)。這并不意味著宇宙原本就 是這樣的。實(shí)際上，根據(jù)超弦理論，肯定還存存著另外六個(gè)維數(shù)，每一維 都呈卷曲狀，十分微小，因而無(wú)法察覺(jué)。如果這一理論是正確的，那么為 什么只有這三個(gè)維數(shù)是伸展開(kāi)來(lái)的，留給我們這個(gè)相對(duì)幽閉恐怖的空間呢? 6．為什么宇宙常數(shù)有它自身的數(shù)值?它是否為零，是否真正恒定? 直到最近，宇宙學(xué)家仍然認(rèn)為宇宙是以一個(gè)穩(wěn)定的速度在膨脹。但最 近的觀察發(fā)現(xiàn)，宇宙可能膨脹得越來(lái)越快。人們用一個(gè)叫宇宙常數(shù)的數(shù)字 來(lái)描述這種輕微的加速。這個(gè)常數(shù)是否如人們?cè)缙谒J(rèn)為的是零，或者是 一個(gè)非常小的數(shù)值，物理學(xué)家現(xiàn)在還無(wú)法做出解釋。 根據(jù)一些基本計(jì)算，這個(gè)常數(shù) 應(yīng)該很大——是我們觀測(cè)結(jié)果的大約 10到122倍。換句話說(shuō)，宇宙應(yīng)該以跳躍般的速度在膨脹。而實(shí)際情況并 非如此，肯定有什么機(jī)制在壓制這種作用。如果宇宙真是超對(duì)稱(chēng)性的，那 宇宙常數(shù)就該被完全抵消掉。但這種對(duì)稱(chēng)性——如果確實(shí)存在的話——看 來(lái)已經(jīng)破滅。如果這個(gè)常數(shù)隨時(shí)間的變化而變化的話，那情況就更加復(fù)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(shí)地描述了自然? 多年來(lái)，超弦理論最大的弱點(diǎn)是它有5個(gè)不同的版本。到底哪一個(gè)—— 如果有的話——描述了宇宙?反對(duì)這一理論的人最近已經(jīng)接受了被稱(chēng)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復(fù)雜。 在 M里論前，所有的亞原子粒子都被說(shuō)成是由微小的超弦組成的。M理 論給組成亞原子的物質(zhì)增加了一種叫做“膜”(brane)的更為神秘的物質(zhì)， 它就像生理學(xué)上的膜一樣，但最多有9個(gè)維數(shù)度。現(xiàn)在的問(wèn)題是，什么是更 基本的物質(zhì)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(zhì)單位，只是人們沒(méi)有想到罷了?最后，這兩種東西中是否有一種 確實(shí)存在，或者 M理論僅僅是一種迷人的大腦游戲? 8，黑洞信息悖論的解決方法是什么? 根據(jù)量子理論，信息——無(wú)淪它描述的是粒子運(yùn)動(dòng)的速度還是油墨顆 粒組成文件的確切方式——是不會(huì)從宇宙中消失的。但物理學(xué)家基普·索 恩、約翰·普雷希爾和斯蒂芬·霍金卻提出了一個(gè)固定的假設(shè)：如果你把 一本大不列顛百科全書(shū)扔進(jìn)黑洞中去，將會(huì)發(fā)生什么事?宇宙中是否有其他 同樣的百科全書(shū)是無(wú)關(guān)緊要的。正如物理學(xué)中所定義的，信息并不等同于 含義，信息僅指二進(jìn)制的數(shù)字，或是一些其他的代碼，它被用來(lái)精確地描 述一個(gè)物體或一種方式。所以看起來(lái)那些特定的書(shū)本里的信息將被吞沒(méi)， 并永遠(yuǎn)地消失。但人們覺(jué)得這是不可能的。 霍金博士和索恩博士相信那些信息確實(shí)消失了，而量子力學(xué)必須對(duì)此 作出解釋。普雷希爾博士推測(cè)信息其實(shí)并沒(méi)有消失；它也許以某種形式顯 示于黑洞的表面，如同在一個(gè)宇宙中的銀幕上。 9．何種物理學(xué)能夠解釋基本粒子的重力與其典型質(zhì)量之間的巨大差距? 換言之，為什么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(gè)回形針，即使整個(gè)地球的引力在把它往下拉。 根據(jù)最近的一種說(shuō)法，重力實(shí)際上要大得多。它僅僅是看上去比較弱 而已，因?yàn)榇蟛糠种亓ο萑肓四骋粋€(gè)額外的維數(shù)度之中。如果我們可以用 高能粒子加速器俘獲全部的重力，也許就有可能制造出微型黑洞。雖然這 看上去會(huì)引起固體垃圾處理業(yè)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(dòng)力學(xué)中的夸克和膠子約束以及質(zhì)量差距 的存在? 量子色動(dòng)力學(xué)( QCD)是描述強(qiáng)核子力的理論。這種力由膠子攜帶，它 把夸克結(jié)合成質(zhì)子和中子這樣的粒子。根據(jù)量子色動(dòng)力學(xué)理論，這些微小 的亞粒子永遠(yuǎn)受到約束。你無(wú)法把一個(gè)夸克或腦子從質(zhì)子中分離出來(lái)，因 為距離越遠(yuǎn)，這種強(qiáng)作用力就越大，從而迅速地把它們拉回原位。 但物理學(xué)家還沒(méi)有最終證明夸克和膠子永遠(yuǎn) 不能逃脫約束。他們也不 能解釋為什么所有能感受強(qiáng)作用力的粒子必須至少有一丁點(diǎn)兒的質(zhì)量，為 什么它們的質(zhì)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(jìn)一步闡明重力的本質(zhì)。 |
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