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现代物理学中的几个疑难问题

爱因斯坦在其《关于光的产生和转化的一个启发性观点》文章的一开始，便用统一性观点分析了当时物理学的现状：物理学家们关于气体或其他重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间，有着深刻的形式上的分歧.正是为了消除这种形式上的分歧，他大胆提出光量子论，指出光不仅具有波动性也具有粒子性.光的波粒二象性思想使关于光的本性的几百年来飘摇不定的争论从此画上一个圆满的句号.中国科学院理论物理研究所的朱传界提出了理论物理学中的10个顶级问题：所有刻画自然界的无量纲参数是原理上可计算的呢，还是有些仅仅是由历史或是量子力学的偶然因素确定而不可计算的？量子引力如何能帮助解释宇宙的起源？质子的寿命是多长？我们如何解释之？自然界是超对称性的吗？如果是，超对称如何破缺？为什么宇宙看来只有一个时间和三个空间维数？为什么宇宙常数会有它有的值？这个值是零吗?它是常数吗?M-理论的基本自由度是什么？这一理论确实描述自然界吗？黑洞的信息佯谬如何解决？引力尺度和基本粒子的典型质量尺度之间的巨大差异是由什么物理解释的？我们能定量地解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭和质量间隙(massgap)的存在吗？

李政道教授在《场与粒子》一书中对粒子物理理论有一段比较开明的评论：“单是统一规范理论的标准模型就需要大约20个参数：e、Ｇ、θw、三代轻子及夸克的各种各样的质量以及四个弱衰变角θ₁、θ₂、θ₃及δ.……因此，一方面，我们可能已经得到对于直到大约１００GeV的物理过程的有效描述.另一方面，把我们已有的理论看成实质上是唯象理论更为合适.毕竟，谁曾听说过，一个基本的理论要求２０个左右的参数呢？（李政道《场与粒子》，463页，山东科技出版社）.李政道曾提出21世纪晴朗的天空上有四朵乌云：(1)夸克为什么会禁闭？（原子中的电子不会掉到原子核中，预示着量子力学存有不确定原理，而夸克的跑不出来却预示着真空有特殊的性质）；(2)什么是暗物质；(3)什么是类星体、类星体的巨大能量从何而来？(4)何谓真空？真空有什么结构？真空是否蕴藏着巨大的能量，暴胀宇宙论的真空是什么？为什么暴胀后的宇宙的恰好等于1？四朵乌云＋暗能量，汇集成为物理学晴朗的天空上的大大的一团乌云.中国科学院自然科学研究史董光壁研究员在《21世纪100个科学难题》，提出了今天科学发展是《协调相对论和量子论的困难》.李政道在该书《导言》中说：目前，微观和宏观的冲突已经非常尖锐，靠一个不能解决另一个，把它们联系起来会有一些突破，这个突破会影响科学的将来.

     笔者结合自己物理学思考的过程，搜集整理了现代物理学中存在的几个问题，下面列举其中的几个.

1.物理理论是否与环境相关：物理的基本参数和规律都可以计算，还是仅由历史的或量子的偶然性决定，或者是由人择原理来确定？景观的图像是对的吗？

2.新物态：存在常规实验可探查的一般非费米流体行为吗?超导体为何无电阻，目前超导体研究现状如何？超导中的库柏对为何两个电子的自旋方向相反，动量方向也相反？高温超导的微观机理是什么？可否发现室温超导体？现代科学如何认识地磁场形成的原因的，以及磁偏角？波的衍射条件背后是否存在更本质的规律？全反射现象说明了光在同一种介质中并非一定沿直线传播，是否与广义相对论矛盾？能量最低原理认为物体只有处于最低状态才稳定，在这些现象背后是否存在着更本质的规律？

3.量子计算机：如何防止量子计算中的“退相干”？如何实际制造量子计算机？

4.物理学的应用：如何得到室温甚至室温以上的超导材料？如何用电子材料（如半导体）制造室温铁磁体？

5.计算物理学：计算机能代替解析计算吗？如果是，那么将来物理学家所受的训练该如何相应改变？

6.物理学的分化：物理学自身发展日益分化，如何面对这种状况？

7.还原论：是否应该怀疑这个物理学的根本逻辑？是否保持一个开放的态度？

8.“理论”应该扮演何种角色：“理论”是否应仅仅靠实验来判断正误，或者应该是由基本物理原理发展出来的对自然“更高”层次的理解，而可以不顾及是否能在实际中实现？在对复杂系统的细节描述中，如何估价物理学家一贯坚持的“简洁性”和数学“优美性”等原则？

9.物理学未来发展中潜在的危险：如何面对越来越大、越来越难以实现的物理学实验计划？在这种形式下，新的研究途径该是怎样的？理论在探索自然方面应该起什么作用？量子隐形传态中的两个相距甚远的关联粒子之间的‘相互作用’机制是什么？基本粒子质量谱可能与何因素有关？在大统一理论中为何存在“大沙漠”现象，其物理原因是什么？

10．为什么类星体具有难以想象的巨大能量辐射？它内部应具有什么样的结构？部分类星体光谱超常值红移到底是由什么原因引起的？所有的天体光谱红移都是多普勒红移吗？

11．量子物理学、宇宙物理学和相对论之间的所有基本物理学定律该如何统一？现代物理学和经典物理学之间的强、弱、电、磁相互作用与万有引力场作用又该如何统一？现代物理学和经典物理学的所有基本物理定律又该如何统一？…….

19、基本物理常数的数值会随时间改变吗？自然界的基本常数为什么具有现在的数值？为什么物理学的基本方程都具有时间反演不变性？解释为何粒子物理标准模型中自然界的自由常数（宇宙常数）会被选为特定的值.理论物理模型是一种数学框架，需要设定某些参数以便能进行预测.在粒子物理学的标准模型中，这些参数是由理论预测的18个基本粒子来体现的，这意味着参数可以通过观测来测量.然而，一些物理学家仍相信这些参数是由理论中物理学的基本原理所决定的，这是独立于测量的.这个在过去推动了很多狂热者为统一场论而奋斗，并引发了爱因斯坦的著名问题：“上帝创造世界的时候有没有别的方案可选？”宇宙的形式由它的本质属性所确定，如果是不同属性的话这个宇宙就不能正常运作，原因仅仅是这样吗？既然这样，现在问题就变成为什么我们宇宙的属性会设定得如此精准使得其环境适合生命的存在.这个问题被称作“微调问题”并促使一些物理学家转向人择原理的解释，认为我们的宇宙之所以有这样的属性是因为如果不是这样的话，我们就不会在这里问这个问题了.

12、为什么绝对零度不可达到？为什么热水比冷水冻结快些（ErastoMpemba问题）？运动物体的温度会改变吗？开放系统的熵具有什么物理意义？湍流形成的机理是什么？

13.地球磁场极性颠倒的原因是什么？南极空洞是怎么形成的？生物体内有核反应吗？地震前的地光是怎么形成的？为什么闪电多‘之'字形少球形？

14.声音在密度高的物质中（例如在水或钢中）要比在空气中传播得快；但它在暖空气中又比在冷空气中传播得快，而暖空气的密度却比冷空气低.这是不是自相矛盾呢？为什么会形成晶体？为什么晶体总有一定的形状？什么是戈德尔证明？戈德尔证明是否说明真理是不可得知的？红光通过棱镜时的变化最小，而在通过衍射光栅时变化最大，为什么会有这种差别？当两道光束互相干涉并产生暗区时，能量发生了什么变化？数学家为什么对素数感兴趣？当一个不可抗拒的力遇到一个什么力都不能使之运动的物体时，将会发生什么情况？增殖反应堆是什么东西？我们得把氢加热到多高的温度和保持这个温度多长的时间，才能使聚变反应持续进行下去？为什么人们说“宇宙空间的低温？”一个空虚的宇宙空间怎么会有温度呢？什么是宇宙尘？它们是从哪里来的？什么是脉冲星？气泡室是怎样工作的？恒星的温度能达到多少度？在一颗恒星上，聚变反应可以进行到什么程度？如果太阳的表面温度是白热的，太阳黑子为什么又是黑的呢？如果黑子真是黑的，它们就该也是冷的.太阳上的东西怎么会是冷的呢？为什么所有行星的轨道都近似地位于同一个平面上？冥王星与其它各行星有什么不同？为什么会有这些不同？彗星为什么有尾巴？时间是一种幻觉呢，还是确实存在的东西？怎么来描述时间呢？时间的最小可能单位是什么？

15.地外智慧生物是否存在?狄拉克的大数之谜;中子星、脉冲星与黑洞?

16．带电粒子任意运动产生的推迟电磁场不满足宏观电磁场运动方程和电磁场相对论变换.宏观电磁场相对论变换导致电磁场运动方程解的唯一性破坏和其他严重问题，因而是不可能的.写成四维电磁势的形式后，不考虑电磁场相对论变换，宏观电磁场运动方程的形式在不同的惯性参考系中可以保持不变，但洛伦兹条件不可能保持不变.因此经典宏观电磁场理论不存在相对性，爱因斯坦时空相对性赖以生存的最重要的理论基础被破坏.

17．狭义相对论逻辑系统中存在三个基本问题：1.采用纯惯性参考系建立时空理论的超验性问题.2.参考系相对运动速率V’=V与真空光速不变c的相容性和一致性问题.3.基本时空佯谬不可消除性问题.

18.为什么是这个宇宙？

在不断追寻自然界基本规律的过程中，物理学家们一直试图在搞清楚一个长期悬而未决的问题：为什么宇宙是我们所看到的这个样子.为什么我们居住的空间是3维，而不是2维、10维或者25维？为什么光速是如此之快而音速是如此之慢？为什么原子是如此得渺小，而恒星又是如此得硕大？为什么宇宙是如此得年老？如果还存在其他的物理定律，那是不是意味着在其他地方还存在着不同的宇宙？“对于我们所处的宇宙来说，也许我们最终会发现它别无其他的可能，只能是这个样子，”美国加州理工学院的物理学家肖恩·卡罗尔（SeanCarroll）说，“但我怀疑这并不正确.”很容易想象，如果自然界允许不同的宇宙拥有不同的物理规律，那么这个问题就变成了，在我们这个宇宙中为什么是这些物理定律而不是其他的？ 19.世间万物由什么组成？

现在已经清楚地知道，普通物质——原子、恒星和星系——只占据了整个宇宙的4%.美国密歇根大学的物理学家凯瑟琳·弗里兹（KatherineFreese）则致力于弄清楚其余的96%是什么.每个星系都包含有暗物质，也正是这些不为人知的物质使得我们所居住的银河系免于瓦解.当暗物质聚集到相当数量的时候，它们就会发生碰撞湮灭，产生电子、质子、正电子和反质子.弗里兹非常兴奋，因为暗物质的性质即将被解开.美国宇航局费米γ射线空间望远镜的最新观测数据证实，银河系中暗物质粒子之间正在以能被我们观测到的速率在湮灭，这将揭示出它们的性质.但是对驱动宇宙加速膨胀的暗能量的发现又带来了一系列新的难题，且在短时间恐怕难以有所进展.这些问题包括暗能量自身的特性是什么？为什么它是如此之小，能让星系和恒星得以形成以及生命出现在这个宇宙中？

20.复杂性是如何产生的？

对一般的复杂大系统而言，其内在的混沌特性决定了系统的不可预测性.如何运用计算手段来分析这类系统、鉴别哪些特征？从金融市场的不可预测行为到生命的出现，美国芝加哥大学的物理学家和应用数学家利奥·卡德纳诺夫（LeoKadananoff）则致力于复杂系统的出现.他担心，如果粒子物理学家和宇宙学家仅仅关注最小和最大尺度的东西，那么他们将会错过非常重要的东西.“我们仍然不知道窗玻璃是如何保持它的形状的，”卡德纳诺夫说，“因此研究我们熟悉的事物也同样的重要.”只有破解了简单的成分和简单的相互作用如何产生出复杂的现象之后，生命才有可能真正被了解.

21.什么是真正的实在？

物质世界在一定程度上可能超出了我们的认识，但是维也纳大学的物理学教授安东·蔡林格（AntonZeilinger）认为物理学家仅仅是抓住了它的表面.量子力学中经常会出现古怪而难以想像的现象，例如一个粒子可以同时出现在两个地方.然而随着我们从原子大小的尺度进入苹果大小的尺度，模糊的量子世界便让位给了我们熟知的、确定的经典物理世界.蔡林格的专长是量子实验，他的小组通过富勒烯（碳60）之间的量子干涉证明了测量仪器的选择决定了被测物体的行为是量子的还是经典的.这同时也彰显了观测者对物理实在（实验结果）的影响.他说：“也许当我们开始了解实在、知识和我们行动之间的联系时，真正的突破就会到来.”这一观点看似虚幻，但却是实实在在的.蔡林格和其他人已经证明，彼此远离的粒子的量子态有着某种联系，因此观测其中一个就为影响另一个的状态.还没有人知道这一现象背后的真正原因.

22.物理学有没有终点？也许最大的问题是，自伽利略和开普勒以来不断探索这个宇宙的过程是否正在临近终点.美国亚利桑那州立大学的劳伦斯·克劳斯（LawrenceKrauss）说：“我担心我们已经到达了实证科学的极限.”他想知道，为了了解我们的宇宙为什么会如此是否必须要认知其他的宇宙.如果这些认识是无法企及的，那也许这就是进一步深化我们对这个宇宙认识过程的终点.人们习惯于把理论物理的进展看成是某种偶然，是否存在一条途径可以加速我们的认识和发现.物理学是否仍将是最重要的科学？

23.上述问题中,哪些又是物理学中的基本问题?

24.1937年Dirac指出，宇宙Hubble半径与电子经典半径之比N1、质子和电子间静电力与万有引力之比N₂是近似相等的两个无量纲大数N₁≈N₂≈10⁴⁰，此外还存在一系列大纯数，它们分别与N₁^1/2≈10²⁰的整数幂大致相等，而且都可以归结到一个通过量纲和数量级拼凑起来的“奥秘”的数字关系，式中m_p是p介子的质量.Dirac认为，大数之间的相关性、尤其上式给出的数字关系并非毫无意义的巧合，而是暗示了一个尚未得到阐明的基本事实.质子与电子之间的静电力与万有引力之比N₁=(pa/2m)F²=2.27×10³⁹»(10²⁰)²

Hubble半径与电子经典半径之比N₂=(p/a)F²=4.64×10⁴⁰»(10²⁰)²

电子经典半径与Planck长度之比N₃=(p/2)^0.5(a/m)F=1.74×10²⁰»10²⁰

Planck长度与质子的Schwartzchild半径之比N₄=(p/8)^0.5F=6.50×10¹⁸»10²⁰

Hubble半径与质子的Schwartzchild半径之比N₅=(p²/4m)F⁴=5.26×10⁷⁹»(10²⁰)⁴

（式中a为精细结构常数、m为电子与质子的质量比、p为圆周率）

以上各式显示：

i)所有这些大数都含有因子F；

ii)大数的数量级大致由F的整数幂决定；

iii)大数并不是模糊的，它们都有严格精确的数值，其细节部分由a、m、p等无量纲小数决定.

现代物理学各分支及其适用范围：