當(dāng)今物理學(xué)界25大難題-wenkub
2023-04-19 02:24:31 本頁(yè)面
【正文】 脹，這真是令人驚奇。但是隨后（人們）認(rèn)識(shí)到愛因斯坦的靜態(tài)宇宙是不穩(wěn)定的；而且人們發(fā)現(xiàn)，宇宙不是靜態(tài)的，它正在膨脹。暗能量第3個(gè)問題與最近的發(fā)現(xiàn)有關(guān)，宇宙中的絕大部分能量是一種新形式的能量，即所謂的“暗能量”。但是暗物質(zhì)也可能由“軸子”或其他粒子構(gòu)成，軸子是為解決強(qiáng)CP問題而發(fā)明的另外一個(gè)預(yù)測(cè)粒子。普通的重子物質(zhì)，即組成我們的物質(zhì)，僅占目前宇宙質(zhì)量或能量密度的34％。這種“暗物質(zhì)”不發(fā)出輻射，可以推想，它與普通粒子和輻射的相互作用非常微弱。隨后這些問題可能更容易回答。一些人鼓吹一個(gè)循環(huán)的宇宙。那么理論的狀況又如何？我們可以確切地說出在宇宙創(chuàng)生時(shí)發(fā)生了什么嗎？弦理論已經(jīng)成功地消除了廣義相對(duì)論中產(chǎn)生的奇點(diǎn)。這些漲落是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的起源。在“初始奇點(diǎn)”，宇宙收縮成為一種難以置信的高密度和高能量的狀態(tài)——即通常所稱的“大爆炸”。這個(gè)問題不僅對(duì)于科學(xué)而且對(duì)于哲學(xué)和宗教都是一個(gè)永久的問題。此后數(shù)月，格羅斯教授先后在歐洲核子中心（CERN）、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所、浙江大學(xué)等地作過內(nèi)容相近的講演。也許人們會(huì)說，在物理學(xué)領(lǐng)域提出問題要比數(shù)學(xué)領(lǐng)域容易得多，因?yàn)槲锢韺W(xué)就像大江大河，而數(shù)學(xué)則像尼羅河三角洲中縱橫交錯(cuò)的河網(wǎng)。希爾伯特（David Hilbert，1864－1943）根據(jù)19世紀(jì)數(shù)學(xué)研究成果和發(fā)展趨勢(shì)，提出了新世紀(jì)數(shù)學(xué)家應(yīng)該致力解決的23個(gè)數(shù)學(xué)問題。維爾切克（Frank Wilczek）和戴維格羅斯【①】作者簡(jiǎn)介：大衛(wèi)格羅斯（David Gross），美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，加州大學(xué)圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡維利理論物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics波利策（David Politzer）分享了當(dāng)年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。希爾伯特的演講，對(duì)20世紀(jì)的數(shù)學(xué)發(fā)展，產(chǎn)生了極大的影響。但若是反過來(lái)想一想，既然物理學(xué)界對(duì)前沿問題具有更廣泛的共識(shí)，我們就不難明白，格羅斯教授所提出的問題對(duì)未來(lái)物理學(xué)發(fā)展的重要意義。這份講稿來(lái)自于我在2004年10月7日卡維利理論物理研究所（KITP）25周年慶祝會(huì)議上所作的演講。現(xiàn)在它是理論物理學(xué)和宇宙學(xué)亟待解決的問題：“宇宙是如何開始的？”根據(jù)最新的觀察，我們知道宇宙正在膨脹。我們不知道在大爆炸點(diǎn)（at the big bang）發(fā)生了什么，我們所知的基礎(chǔ)物理的所有方法——不僅是廣義相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)模型，甚至包括我所知的弦理論——都失靈了。因此，對(duì)于宇宙學(xué)和天體物理學(xué)而言，理解在大爆炸點(diǎn)真正發(fā)生了什么是一個(gè)急迫的任務(wù)。但是，弦理論能夠處理的奇點(diǎn)不是大爆炸所產(chǎn)生的那種類型。我相信更為可能的是，時(shí)間自身是一個(gè)突現(xiàn)的概念（emergent concept），如弦理論所暗示的一樣。無(wú)論如何，上述問題無(wú)疑將在未來(lái)引導(dǎo)暴漲宇宙學(xué)和弦論宇宙學(xué)中的大量研究。我們只能通過它的引力效應(yīng)而知道它的存在。因此什么是暗物質(zhì)？我們能在實(shí)驗(yàn)室直接觀察到它嗎？它是如何與普通物質(zhì)相互作用的？主流的假設(shè)是暗物質(zhì)由弱相互作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMP）組成。于是出現(xiàn)了觀測(cè)問題，我們是否能在實(shí)驗(yàn)室中制造和檢測(cè)暗物質(zhì)？我們能直接探測(cè)到充滿和包圍星系的暗物質(zhì)嗎？暗物質(zhì)在宇宙中是如何分布的？關(guān)于星系的結(jié)構(gòu)和形成，暗物質(zhì)向我們提供了什么信息？在星系的形成和分布的當(dāng)前模型中，暗物質(zhì)扮演了一個(gè)至關(guān)重要的角色。暗能量施加負(fù)壓力，負(fù)壓力導(dǎo)致了宇宙膨脹的加速，通過觀察這種加速作用，天體物理學(xué)家已經(jīng)推斷出當(dāng)前宇宙的70％的能量密度是暗能量的形式。因此，愛因斯坦放棄了宇宙學(xué)常數(shù)。還有檢測(cè)暗能量的其他方法嗎？4現(xiàn)在認(rèn)為所有恒星中至少有一半在雙星中形成。第一批恒星只有氫和氦。一個(gè)出現(xiàn)只有大約10年的新論題，是行星形成的理論。其中最有趣的事情之一就是尋找我們太陽(yáng)系之外的生命。這次會(huì)議的一些與會(huì)者問到：我們目前對(duì)GR的理解在所有尺度上都是正確的嗎？GR在一些案例中已經(jīng)得到了令人十分信服的驗(yàn)證。另一個(gè)區(qū)域是引力非常強(qiáng)的地方，那里強(qiáng)大的引力造成了空－時(shí)流形的極度彎曲，例如黑洞附近。天體物理學(xué)家和理論物理學(xué)家正在設(shè)法解決如何利用對(duì)掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)所發(fā)出的輻射的觀測(cè)來(lái)確定空間－時(shí)間幾何。一些人如霍夫特（t’Hooft）就提出，在極小距離上QM可能失效，并設(shè)想它將被一個(gè)決定論性的理論所代替?；蛟SQM不能描述貓；或許對(duì)于大型的復(fù)雜系統(tǒng)QM可能失效。維格納（Eugene Wigner）也相信這一點(diǎn)。描述這樣一個(gè)“多宇宙”的QM意味著什么？粒子物理學(xué)第7個(gè)問題，我們轉(zhuǎn)向粒子物理學(xué)。標(biāo)準(zhǔn)模型最神秘的特征是物質(zhì)的基本成分的質(zhì)量和混合（mixing），我們現(xiàn)在相信這些基本成分就是夸克和輕子。中微子甚至具有一種更為奇特的質(zhì)量模式。假如是這樣，在大爆炸演化成宇宙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生重子。我們的確不知道質(zhì)子能夠存活多久。如果它是真的，那么空間－時(shí)間還具有額外的量子維度?，F(xiàn)有的觀察，對(duì)這些力作了極高精度的測(cè)量。幸運(yùn)的是，這一能級(jí)正是新的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider）準(zhǔn)備探測(cè)的能級(jí)，兩年內(nèi)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將在CERN運(yùn)行。這個(gè)問題，三十年前我以為我就有了答案。我認(rèn)為，在這個(gè)方向上，最大的希望是構(gòu)造一個(gè)強(qiáng)子和介子的對(duì)偶弦（dual string）描述。如果我們能夠精確地寫下對(duì)偶弦理論的經(jīng)典方程（人們正在努力尋找），那么我們就可以期望以經(jīng)典的方式求解，這可能并不太難。弦理論現(xiàn)在我轉(zhuǎn)向弦理論——構(gòu)造一個(gè)所有相互作用的統(tǒng)一理論的雄心勃勃的嘗試。弦理論的各種表述經(jīng)常是完全不同的。對(duì)于弦理論，我們還有許多不同的對(duì)偶表述，但是我們不知道該理論以及所有這些對(duì)偶表述的本質(zhì)是什么。”我們有許多例子表明在弦理論中空間是一個(gè)突現(xiàn)的概念。因此，我們有許多不同表述形式的弦理論，其中空間不再是一個(gè)基本概念，而是一個(gè)突現(xiàn)的概念。1物理學(xué)是一門環(huán)境科學(xué)嗎？另一個(gè)引人入勝的問題，第12個(gè)問題，最近弦理論家討論得很多，但比前述問題更普遍。它們由歷史偶然事件所決定的。它們具有不同
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