理想的光亮-张林分享 http://blog.sciencenet.cn/u/Zhanglincn 理想是一种明知不能得到但却必须要有的东西。

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让人敬畏的科学问题

已有 4041 次阅读 2013-4-4 17:51 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦| 科学问题

从太空俯视地球的时候可以感觉人类的渺小,而对于一个在宇宙背景中如沙粒一样的人类来说,却要用渺小的头颅去思考整个的不知道有多大的宇宙,而思考者自己也是这个宇宙未知世界中的一部分。

为什么这个世界对于我们人类来讲是有规律的?爱因斯坦感到诧异!是不是上帝真的存在?耶稣说是的!面对浩瀚的宇宙,人类知道的无论是宏观的还是微观的,都只是那其中微小如沙粒一样的一部分。微观对于我们是未知的,宏观对于我们是陌生的,这个宇宙在我们面前让人无比敬畏,这宇宙万物背后的规律让人无比敬畏!

先说第一个令人奇怪的问题:为什么光速c就是299,792,458/秒,重要的不是这个数到第是多少,奇怪的是为什么就有这个常数存在,物质的运动速度为什么非得有这么个数来限制。为什么万有引力G就是那个数,为什么普朗克常数h真的存在,而且永远不变?为什么波尔兹曼常数K就是那个值,而电子带的电荷e就是那么多,质量就那么大,每摩尔物质里面就有阿伏伽德罗这样的常数等等等等。面对这些常数你是不是觉得这个世界的上帝一定是个数学家,而这些常数就那么准确不变,尽管整个宇宙在不断膨胀也不会发生变化。你一定很惊奇制定这些常数的上帝是那么牛叉,真的他不会一不小心弄错了小数点后的几位?所以面对科学神奇的第一个问题诞生了:宇宙中究竟存在多少个物理常数,这些常数之间有没有一定的关系(或者宇宙中独立的常数有多少个?又是个常数?)。当然了那些无量纲的常数比如圆周率π,自然对数e以及精细结构常数α等之间的关系同样扑朔迷离。

第二个令人奇怪的问题是:宇宙现在被称为是爆炸的产物,也就是说宇宙有开始点,那这个起点是灰常奇怪的,围绕这个奇点可以问无数奇怪的问题。但重要的是这个点的存在是个推测的结果,也就是对哈勃望远镜发现星体在互相远离的一个反演推测。这个反演推测有一个事先想当然的假定,就是宇宙它是有界的实体。其实宇宙到底有没有起点并不重要,重要的是宇宙有没有寿命的终点非常重要,无论宇宙最后是寂灭还是混沌,这个终点到底存不存在?或者该不该问这样的问题。因为物质本来就是那样一直稳定地存在的,所以宇宙一直存在,宇宙宏观上只不过是不断膨胀(包括加速膨胀然后缓慢膨胀)到收缩然后再度膨胀(呵呵,宇宙在呼吸)……然而问题是物质真的是能那样稳定地存在的话,宇宙最后就是一片死寂。比如我们现在知道原子核中的质子是稳定存在的,所以我们看到的热闹场面只是在质子之外的世界里发生的事情,那样的话宇宙当然会永远存在下去,因为有质子这样稳定的粒子存在。但问题是从开始大爆炸的时候起质子还是不存在的,说明质子也是在宇宙一定阶段才能稳定存在的粒子。那么一推广就能说明宇宙还是有寿命的,因为组成宇宙的粒子最后都会稳定存在,宇宙最后是死寂的。即便不是这样,现在人们都在问为什么宇宙会加速膨胀,有人回答因为有暗物质,那宇宙膨胀的结果难道不会把质子“撕裂”?呵呵,在这个问题上总是纠缠不清的,所以第二个问题就来了:宇宙到底有没有寿命(目前推测还有240亿年),质子的寿命和宇宙的寿命之间存不存在必然的联系!

第三个问题就是:从目前来看不同层次的客观世界有不同的规律,似乎规律必须在一定的范围内成立,然而为什么这个宇宙没有一个最终的统一理论?因为客观世界其实并没有所谓清晰的层次界限,世界应该只有一个上帝,不存在多个上帝。这就产生了第三个问题:大统一的理论到底存不存在?宏观的广义相对论和微观的量子力学目前看似乎可以统一在一起,但现在的情况其实是嫁接在一起或拼凑在一起,因为宏观的万有引力是个非常独特的场,为了统一万有引力场必须引入引力波,或者发现所谓的产生引力场的粒子(是不是Higgs boson呢?呵呵)。或者换个角度讲那些所谓的超弦理论是不是真的可以统一整个规律而且是正确的?不指望给个答案但想想也是很有意思的,因为上帝是搞数学的,数学有时让人吃惊的完美让人无法不认为这就是现实,到底是不是现实?因为现在对宇宙和出现在宇宙中奇怪物质的解读越来越"玄"了,你有没有感觉发生于黑洞之上的研究很美很抽象!

第四个问题就是关于电子的。除了单个电子本身就很奇怪(电子就是个几何点,是没有结构的基本粒子)外,电子在组成物质过程中扮演着非常重要的角色,物质的性质可以说就是由电子结构决定的。现在的问题是电子这个似乎没有结构的小东西有一个可观的自旋,即它有磁矩!这个磁矩是怎么形成的?和自旋有关的电子结构方面引来了电子特殊的集体行为,比如费米排斥不能有两个电子处于相同的状态,只能是一个态排布两个自旋相反的两个电子,这个“紧密”的排布决定了元素的化学性质。这个自旋让人费解,但它很强烈地存在,因为系统要降低能量必须对电子配对形成准玻色子才能降低系统总能量。这个自旋对几乎没有结构的电子很诡异,也就是说自旋来自什么,是磁单极子吗?

当然考虑这些吃饱了撑的形而上的问题似乎显得很民科,对自己的一个小小的研究领域似乎没有任何帮助,我们只是在自己的某个小领域内进行具体的计算的蚂蚁,即便每天的进展似乎也毫无新鲜可言,比起这些问题给人的冲击显得微不足道,即便小领域内的发现和创新都是很难的。但物理需要娱乐的精神,有时聊侃一些大的问题,会对小的问题给一个背景,那就是任何小的进展都不是什么了不起的事情,任何研究都是没有终结的,因为即便这些人类的大问题有了答案也都只不过是宇宙世界规律里的沧海一粟而已。

敬畏这个世界,敬畏这个世界背后的上帝之手:数学规律。




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3 张雪峰 Jasion wangqinling

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