• 基础物理学中的四个大问题

    物理学家对一些大的科学问题感兴趣,例如世界从何而来?到目前为止,寻找答案的过程已经带来了令人难以置信的发现:从大爆炸到粒子物理学的标准模型。但这些发现并不是故事的结局,因为它们提出了更多问题。因此,这里将讨论四个尚未解开的基础物理学的最大谜团。

    第一个问题

    首先,第一个问题是:为什么我们能记住过去,却不能记住未来?这听起来可能很愚蠢,但物理定律告诉我们这是一个合理的问题。基本上,物理的基本定律是可以告诉我们事物如何随时间变化。鉴于系统的当前状态,它们可以告诉我们系统接下来会发生什么。但它们也能很好地告诉我们该系统过去发生了什么。例如,我们可以使用相同的信息来确定滚动球的最终位置以及几秒钟前的位置。换句话说,物理定律同样适用于时钟来回运行。

    但这不是我们体验日常生活的方式。我们只体验到一个方向的时间移动,原因是熵。熵是一个物理概念,用于跟踪系统中的无序程度。在我们的日常生活中,它总是在增加:随着时间的推移,系统往往会变得更加无序和混乱。那是因为日常事物有大量的部分相互作用,所以总是有更多的方式让事物变得无序,而不是自发地整理自己。

    所以,随着时间的推移,我们所经历的只是宇宙从低熵流向高熵。这就是一个很大的、没有答案的问题出现的地方:这一切从哪里开始的?就像我们从宇宙学证据中知道,整个宇宙有一个熵非常低的开始:大爆炸。在那里,一切都被挤压成一个整齐的小球体。但是为什么宇宙会处于那种状态呢?为什么过去的熵较低?

    宇宙应该更有可能处于最大熵状态,以至于熵不再上升,时间也不再流动。但相反,宇宙一开始是高度有序的。这是一件不可能偶然发生的事情,科学家们为此正在寻找合理的解释。所以,对于物理学家来说,“为什么破镜不能自发重圆”和“为什么大爆炸会这样发生”原来是类似的问题。

    第二个问题

    大约40年前,宇宙学家提出了一个称为暴涨的想法,以解释宇宙学大爆炸模型的许多问题。所以现在的问题是:暴涨是否真的发生了?如果发生了,它到底是什么?

    大爆炸理论说,宇宙从小而密集开始,然后向外扩展。暴涨理论是对它的补充,它说在宇宙存在的最初一小部分时间里,它以更快的速度膨胀。大多数宇宙学家认为暴涨是真实的,因为它有助于解决大爆炸模型的一些问题,并且他们已经在望远镜中看到了它的大部分预测效果。

    大爆炸模型预测,在尽可能大的尺度上,我们应该会看到显着的温度变化和一些翘曲。但是,宇宙看起来真的很均匀,而且似乎没有任何整体曲率。我们所看到的任何地方,事物都大致相同,星系等事物的分布相似,环境温度也相似,我们也没有看到任何证据表明空间在最大尺度上发生了弯曲。

    对于所有这一切,暴涨可以解释原因。如果那个极端的增长阶段发生了,那么整个宇宙就会比我们所看到的要大得多。如果我们能看到的宇宙真的只是整体的一小部分,那么它看起来光滑平坦是有道理的。这就像从空间站上看到的地球是弯曲的,但如果你放大它的一小部分,它看起来是平坦的。

    但并不是每个科学家都相信这个想法是正确的。暴涨的概念也意味着存在一种叫作“暴胀”的粒子,但任何物理理论都没有预测到这一点,我们对此也没有直接的证据。因此,一些物理学家提出了暴涨的替代方案,比如诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯提出的非常抽象的“共形循环宇宙学模型”。

    好消息是,下一代望远镜和引力波探测器可能能够识别暴涨的信号,甚至告诉我们什么类型的暴涨是真实的。

    第三个问题

    接下来是微调问题,它与常数有关。每当科学家确定物理理论时,他们总是会发现一些残酷事实的数字。比如光速是每秒300000公里,但我们不知道为什么。从电子的质量到重力的强度,有很多这样的常数。

    据统计,有26个基本常数,它们不能被解释为来自更深层次的理论,只能通过实验测量,这引发了各种各样的问题。因为如果其中一些数字略有不同,我们所知道的生命就不会存在。例如,如果引力稍强或稍弱,恒星将无法产生生命运转所需的多样性和丰富的元素。

    那么,这里发生了什么?可能有一个我们还不知道的更基本的理论来解释为什么这些常数具有它们所具有的值。或者,答案可能在别处。一些研究人员推测存在一种多元宇宙,其中常数具有不同的值,物理学的工作方式也不同。其他人则更进一步,认为我们存在只是因为我们处于适合生命的宇宙中。不过,最后一个是一个非常投机的想法,而且由于它不是我们可以真正测试并提供证据的东西,它也接近于不科学。

    事实是,物理学家只是不知道这里发生了什么。要了解更多信息,我们需要更好地了解物理学的基础知识。这就把我们带到了最后一个问题,物理学基础的圣杯:对万物理论的追求。

    第四个问题

    问题是:有没有一种理论可以解释所有的物理学?物理学家认为应该有一个万物理论,因为过去两个世纪的许多物理学突破都是某种统一。现在,我们有两个重要的理论:广义相对论和量子力学,它们有点不相容。

    广义相对论描述了引力的工作原理,量子场论描述了其他三种基本力:电磁力、强核力和弱核力。令人难以置信的是,整个宇宙中的一切都可以用这四种力量中的一种或多种来解释。但广义相对论和量子场论有时实际上是相互矛盾的,其结果可能会在极短距离或高能量等问题上发生冲突。因此,这里的目标是找到一个更深层次的底层结构,在某些情况下看起来像量子场论,而在其他情况下又像广义相对论。

    最流行的万物理论想法被称为弦理论,它说一切都是由一维振动的“弦”组成的。物质的所有力和类型都来自它们不同的振动。我们可以花几个小时谈论弦理论,或者像圈量子引力这样的其他想法。但是,这些理论中的任何一个都没有证据支持。

  • 发表回复