十年来物理最难的问题是什么?
第一,在物理世界中,所有可以测量来表达其特性的无量纲参数,原则上都能计算出来吗?还是有一些不发生的事件?而这些偶然只取决于量子力学或历史,是否也是无法推断的参数?你可能不知道这意味着什么。用爱因斯坦的话来说,上帝在创造我们的宇宙时是有选择性的吗?比如在他准备触发BIGBANG之前,他是否需要思考,我应该把这个宇宙中的光速设置成什么?我应该给电子充多少电?我应该将朗肯常数设置为什么值?他是为了赶时间随机设置了一些数字,还是这些数字就一定要这样?这些价值观之间有什么样的逻辑?
二、量子力学如何帮助解释宇宙起源?
在现代物理学中,有两种理论,即广义相对论和标准模型。广义相对论是与引力有关的理论,标准模型使用量子力学来描述亚原子以及这些亚原子所服从的力。长期以来,物理学家都希望将这两种理论合二为一,进而得出一种“万物皆合理”,即量子引力理论,这将使我们能够更深入地了解宇宙,甚至可能发现宇宙是如何伴随着大爆炸诞生的。
第三,质子的寿命有多长?应该怎么理解呢?
过去,人们认为质子和中子是不同的,它们永远不会分裂成更小的粒子,并一度把这种认识当作真理。然而,在70年代,理论物理学家发现他们的各种理论可能会成为“统一理论”,认为质子一定不稳定,只要经过很长时间,在非常偶然的情况下仍然会分裂。然而,为了观察这种分裂现象,我们必须找到一种方法来捕获死亡过程中的质子。多年来,相关实验研究人员一直在密切观察实验室中的大型水槽,希望找到原子内部正在消亡的质子,但直到今天,这些质子的死亡率始终为零,这实际上可以说明,要么质子是极其稳定的粒子,要么它们的寿命非常长,可能超过十亿年。
第四,自然界是超对称的吗?如果是,它的超对称性是如何破灭的?
许多物理学家认为,所有的力都统一到一个单一的理论中,这就要求两个截然不同的粒子之间存在着密切的关系,而这种密切的关系就是我们所说的超对称性。然而,物理学家还没有解释超对称性的崩溃。随着宇宙的冷却和随后的凝聚,这种不对称状态已经形成,它诞生时所拥有的数学完美性已经被打破。
第五,宇宙展示的是为什么会有三个空间维度和一个时间维度?
这只是因为人们还没有想出一个可以接受的答案,因为除了上下、前后、左右,我们无法想象如何向其他方向移动。但我们无法想象,也无法认为宇宙是这样的。实际上,根据超限理论,我们可以知道,一定还有其他六个维度,每个维度都很小,呈现出一个旋度,所以我们无法探测到。如果这个理论是正确的,那么为什么只有这三个维度被拉长了呢?
第六,宇宙常数为什么有自己的数字?是常数吗?是零吗?
宇宙学家一直认为宇宙正在以非常稳定的速度膨胀,而根据他们最近的观察,宇宙在膨胀的过程中可能会越来越快,而宇宙常数就是人们用来描述宇宙这种缓慢加速的东西。那么这个常数是一个非常小的值,还是人们认为它是零,就像人们以前知道的那样?到目前为止,物理学家还没有办法解释这个值,但是根据一些基本的计算,我们知道这个常数可能非常大,可能是观测值的10到122倍,也就是说,可能宇宙正在以跳跃的速度膨胀。但事实并非如此,所以必须有某种机制来抑制。但是到底是什么呢?目前我们还不知道。
第七,M理论的基本自由度有哪些?这个理论能真实描述自然吗?
多年来,超弦理论有一个很大的弱点,就是它有五个不同的版本。那么哪个论点是正确的呢?如果超弦理论存在,它能描述宇宙吗?M理论出现后,在亚原子物质光谱中增加了一种神秘的物质,叫做“膜”。这个膜和生理膜是一样的,但是它最多可以存在九个维度。那么更基本的物质单位是什么呢?膜是由弦组成的还是弦是由膜组成的?又或许宇宙中还有其他更基本的物理单位,只是我们还不知道?
第八,黑洞的信息悖论有什么解决方法?
我们可以从量子理论中得出一个结论,信息不会在这个宇宙中消失,无论它描述的是墨水粒子形成文件的确切方式,还是粒子运动的速度。就像物理学中对信息的定义一样,和意义是不一样的。信息其实指的只是二进制数,或者其他一些代码,不管是数字还是代码,人们用来准确描述这种方式或者一个物体。所以如果我们把百科全书扔进黑洞,这些书中的信息可能会被吞噬,永远消失在宇宙中。人们认为这是不可能的,但又无法解释。
第九,什么样的物理学可以解释基本粒子的典型质量与其引力之间的巨大差距?
换句话说,为什么物体的引力比其他力小很多?我们可以用回形针和磁铁来类比。磁铁可以完全吸住回形针,但地球引力无法将回形针从磁铁上拉下来。
第十,能否定量理解量子色动力学中的夸克和胶子约束以及它们之间的质量差?
量子色动力学是一种用来描述强核力的理论,它由胶子携带,可以将夸克结合成质子、中子等粒子。量子色动力学理论认为,这些微小的子层将永远受到约束,我们无法从质子中分离出一个胶子或一个夸克。因为它们之间的距离越长,这种强大的力量就会越强,可以很快把它们拉回到原来的位置。但至于胶子和夸克,为什么永远无法走出约束,为什么所有能感受到强作用的粒子质量都不能为零,物理学家还无法解释。
虽然这些重大问题至今困扰着全世界的科学家,但我相信,或许在未来的短时间内,随着人们对宇宙的不断探索和认识,这些问题都可以一一得到解决。