10个最匪夷所思的物理学问题

物理学家已经选出了10个最不可思议的物理问题，并解决了足够让他们忙碌100年的问题。虽然没有奖励，但任何问题的解决方案几乎都能获得诺贝尔奖。1.所有(可测量的)无因次参数表达了物理世界的特征，它们能在原则上被计算出来吗？还是有一些参数仅仅依赖于历史或量子力学的偶然事件，因此不能被计算出来？爱因斯坦的陈述更清楚:上帝在创造宇宙时有选择吗？想象上帝坐在控制台前准备触发大爆炸。"我应该为光速设定什么？""我应该给这个叫做电子的小点带多少电荷？"“决定量子大小的参数——普朗克常数的值是多少？他抓了几个数字是为了赶上时间吗？或者说，这些价值一定要如此，因为其中蕴含着某种逻辑？2.量子引力如何帮助解释宇宙的起源？现代物理学的两个主要理论是标准模型和广义相对论。前者用量子力学来描述亚原子粒子和它们所服从的力，而后者是关于引力的理论。长期以来，物理学家希望融合成一个“普遍真理”——量子引力理论，从而对宇宙有更深的理解，包括宇宙是如何随着大爆炸而自然诞生的。实现这种融合的第一个候选理论是超弦理论。或者M理论——这是它名字的最新“升级版本”。m代表“魔法”、“神秘”或“所有理论之母”。3.质子的寿命有多长？你如何理解它？人们过去认为质子不像中子，永远不会分裂成更小的粒子。这曾被视为真理。然而，在20世纪70年代，理论物理学家意识到他们的理论可能成为“统一理论”——将除了重力之外的所有力结合到一个熔炉中——暗示质子一定是不稳定的。只要有足够的时间，在极其偶然的情况下，质子就会分裂。方法是捕获垂死的质子。多年来，研究人员一直密切关注地下实验室的大型水箱，等待原子内部质子的死亡。但到目前为止，质子的死亡率为零，这意味着要么质子非常稳定，要么它们的寿命非常长，估计超过10亿年。4.自然是超对称的吗？如果是这样，超对称是如何爆发的？许多物理学家认为，将包括重力在内的所有力统一成一个单一的理论，需要证明两个非常不同的粒子实际上有着密切的关系，这就是所谓的超对称性。第一个粒子是费米子，可以粗略地描述为物质的基本成分，就像质子、电子和中子一样。它们聚集在一起形成物质。另一个粒子是玻色子，它是传递力的粒子。它类似于传输光的光子。在超对称性下，每个费米子都有一个相应的玻色子，反之亦然。物理学家有发明奇怪名字的冲动。他们称所谓的超对称粒子为“米粒子”。然而，由于自然界中没有观察到大米草，物理学家仍然需要解释这种对称性“爆发”的原因:当宇宙冷却并凝结成当前的不对称状态时，它诞生时存在的数学完美性就被打破了。5.为什么宇宙表现为时间维度和空间维度？这只是因为还没有想到一个可以接受的答案。这只是因为人们无法想象向更多的方向移动，除了上下、左右、前后。这并不意味着宇宙原本就是这样的。事实上，根据超弦理论，肯定还有另外六个维度，每个维度都是卷曲的，非常小，所以不可能被探测到。如果这个理论是正确的，那么为什么这三个维度被延伸，给我们留下了这个相对幽闭的空间？6.为什么宇宙常数有它自己的价值？它是零并且真的是常数吗？直到最近，宇宙学家仍然相信宇宙在以稳定的速度膨胀。然而，最近的观察发现，宇宙膨胀的速度可能越来越快。人们用一个叫做宇宙常数的数字来描述这种轻微的加速。不管这个常数是零还是像早期人们认为的那样是一个非常小的值，物理学家仍然无法解释它。根据一些基本的计算，这个常数应该很大——大约是我们观察结果的10到122倍。换句话说，宇宙应该以跳跃的速度膨胀。但实际情况并非如此，必须有某种机制来抑制这种影响。如果宇宙真的是超对称的，那么宇宙常数应该被完全抵消。但是这种对称性——如果它确实存在的话——似乎已经被打破了。如果这个常数随时间而变化，情况就更复杂了。7.m理论的基本*度(m理论的低能量极限是11维超对称，它包含5个相容的超弦，这个理论真的描述自然吗？多年来，超弦理论最大的弱点是它有五种不同的版本。如果有的话，它描述了宇宙。这一理论的反对者最近接受了被称为M理论的最重要的11维理论框架。然而，情况变得更加复杂。在M理论之前，所有的亚原子粒子据说都是由微小的超弦组成的。m理论给亚原子物质的光谱增加了一种更神秘的物质，叫做“膜”。它就像一个生理薄膜，但它最多有9个维度。现在的问题是，物质更基本的组成单位是什么，膜是由线组成的，还是正好相反？或者还有一些更基本的物质单位，只是人们没有想到而已？最后，这两件事中的任何一件真的存在，还是M理论仅仅是一个迷人的大脑游戏？8.黑洞信息悖论的解决方案是什么？根据量子理论，信息——无论是描述粒子运动的速度还是墨水粒子构成文件的精确方式——都不会从宇宙中消失。然而，物理学家基普霍恩、约翰·普里尔和斯蒂芬·霍金提出了一个固定的假设:如果你把《大英百科全书》扔进黑洞，会发生什么？宇宙中是否有其他类似的百科全书并不重要。根据物理学的定义，信息并不等同于意义。信息仅指二进制数或其他一些代码，用于准确描述一个对象或一种方式。因此，这些特定书籍中的信息似乎将被吞噬，永远消失。但是人们认为这是不可能的。霍金博士和索恩博士认为，信息确实已经消失，量子力学必须解释这一点。普里尔博士推测，这些信息并没有消失。它可能以某种形式出现在黑洞的表面，就像在宇宙的屏幕上一样。9.什么样的物理学可以解释基本粒子的重力和它们的典型质量之间的巨大差距？换句话说，为什么重力比其他力(如电磁力)弱得多？一个磁铁可以吸住一个回形针，即使整个地球的重力把它拉下来。根据最近的声明，重力实际上要大得多。它看起来很弱，因为大部分重力都落入了额外的维度。如果我们能用高能粒子加速器捕捉所有的重力，就有可能创造出微型黑洞。尽管这似乎引起了固体废物处理行业的兴趣，但这些黑洞可能一形成就消失了。10.我们能定量地理解夸克和胶子约束以及量子色动力学吗量子色动力学(QCD)是一种描述强核力的理论。这个力是由胶子携带的。它将夸克结合成质子和中子等粒子。根据量子色动力学理论，这些微小的子粒子总是受到约束的。你不能将夸克或胶子与质子分开，因为越远，这种强大的力就越大。以便迅速将它们拉回到原来的位置。但是物理学家还没有最终证明夸克和胶子永远无法逃脱约束。他们无法解释为什么所有能感受到强大力量的粒子必须至少有一个微小的质量，为什么它们的质量不能为零。有人希望M理论能提供一个答案，而这个理论可能会进一步阐明引力的本质。