理論物理學(xué)中的五大問(wèn)題
在他有爭(zhēng)議的2006年著作“物理學(xué)的麻煩:弦理論的興起,科學(xué)的墮落,以及接下來(lái)的健康知識(shí)鏈接問(wèn)題”中,理論物理學(xué)家Lee Smolin指出了理論物理學(xué)中的五個(gè)大問(wèn)題。34;
- 量子重力問(wèn)題:將廣義相對(duì)論和量子理論結(jié)合成一個(gè)可以稱為完整自然理論的單一理論。
- 量子力學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題:通過(guò)理解理論或發(fā)明來(lái)解決量子力學(xué)基礎(chǔ)中的問(wèn)題
- 粒子與力的統(tǒng)一:確定各種粒子與力是否可以統(tǒng)一在一個(gè)理論中,該理論將它們?nèi)拷忉尀橐粋€(gè)單一的,基本實(shí)體。
- 調(diào)諧問(wèn)題:解釋粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中自由常數(shù)的值是如何在自然界中選擇的。
- 宇宙奧秘問(wèn)題:解釋暗物質(zhì)和暗能量?;蛘?,如果它們不存在't,則確定如何以及為什么大規(guī)模修改重力。更一般地說(shuō),解釋為什么包括暗能量在內(nèi)的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的常數(shù)具有它們所做的值。
物理問(wèn)題1:量子重力問(wèn)題
量子重力是理論物理學(xué)中努力創(chuàng)造一種既包括廣義相對(duì)論又包括粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論。目前,這兩種理論描述了不同的自然尺度,并試圖探索它們重疊產(chǎn)量結(jié)果的尺度,這些結(jié)果非常有意義,就像重力(或時(shí)空曲率)變得無(wú)限一樣。(畢竟,物理學(xué)家從來(lái)沒(méi)有看到自然界中真正的無(wú)窮大,他們也不想
物理問(wèn)題2:量子力學(xué)的基本問(wèn)題
一個(gè)問(wèn)題是了解量子物理學(xué)是所涉及的潛在物理機(jī)制。量子物理學(xué)有許多解釋-經(jīng)典的哥本哈根解釋,Hugh Everette II'有爭(zhēng)議的多世界解釋,甚至更有爭(zhēng)議的解釋,如參與式人類(lèi)原理。這些解釋中提出的問(wèn)題圍繞著實(shí)際導(dǎo)致量子波函數(shù)崩潰的原因。
大多數(shù)使用量子場(chǎng)理論的現(xiàn)代物理學(xué)家不再認(rèn)為這些解釋問(wèn)題是相關(guān)的。對(duì)于許多人來(lái)說(shuō),解相干原理是解釋-與環(huán)境的相互作用導(dǎo)致量子崩潰。更重要的是,物理學(xué)家能夠解決方程,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和練習(xí)物理學(xué),而不會(huì)解決基本層面究竟發(fā)生了什么的問(wèn)題,因此大多數(shù)物理學(xué)家都不想用20英尺的極點(diǎn)接近這些奇怪的問(wèn)題。
物理問(wèn)題3:粒子和力的統(tǒng)一
物理有四種基本力量,粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型只包括其中三種(電磁學(xué),強(qiáng)核力和弱核力)。重力被排除在標(biāo)準(zhǔn)模型之外。試圖創(chuàng)造一種將這四種力量統(tǒng)一為統(tǒng)一場(chǎng)理論的理論是理論物理學(xué)的一個(gè)主要目標(biāo)。
由于粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型是量子場(chǎng)理論,所以任何統(tǒng)一都必須包括重力作為量子場(chǎng)理論,這意味著解決問(wèn)題3與解決問(wèn)題1有關(guān)。
此外,粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型顯示了許多不同的粒子-總共有18個(gè)基本粒子。許多物理學(xué)家認(rèn)為,自然的基本理論應(yīng)該有一些統(tǒng)一這些粒子的方法,所以它們被描述為更基本的術(shù)語(yǔ)。例如,這些方法中定義最明確的字符串理論預(yù)測(cè),所有粒子都是基**量細(xì)絲或字符串的不同振動(dòng)模式。
物理問(wèn)題4:調(diào)諧問(wèn)題
理論物理模型是一個(gè)數(shù)學(xué)框架,為了進(jìn)行預(yù)測(cè),需要設(shè)置某些參數(shù)。在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中,參數(shù)由理論預(yù)測(cè)的18個(gè)粒子表示,這意味著參數(shù)是通過(guò)觀察來(lái)測(cè)量的。
然而,一些物理學(xué)家認(rèn)為,理論的基本物理原理應(yīng)該獨(dú)立于測(cè)量來(lái)確定這些參數(shù)。這激發(fā)了過(guò)去對(duì)統(tǒng)一領(lǐng)域理論的熱情,并引發(fā)了愛(ài)因斯坦和39;這是一個(gè)著名的問(wèn)題"上帝在創(chuàng)造宇宙時(shí)有什么選擇嗎?"宇宙的屬性是否固有地設(shè)定了宇宙的形式,因?yàn)槿绻问讲煌?,這些屬性就可以起作用?
對(duì)此的答案似乎強(qiáng)烈傾向于這樣一種觀念,即不僅可以創(chuàng)建一個(gè)宇宙,而且還存在廣泛的基本理論(或基于不同物理參數(shù)的相同理論的不同變體,原始能量狀態(tài),等等),我們的宇宙只是這些可能的大學(xué)之一。
在這種情況下,問(wèn)題變成了為什么我們的宇宙具有似乎如此精細(xì)調(diào)整以允許生命存在的特性。這個(gè)問(wèn)題被稱為微調(diào)問(wèn)題,并促使一些物理學(xué)家轉(zhuǎn)向人類(lèi)原理進(jìn)行解釋,這表明我們的宇宙具有它所具有的屬性,因?yàn)槿绻哂胁煌膶傩?,我們?huì)'不在這里問(wèn)問(wèn)題。(Smolin'的一個(gè)主要推動(dòng)力是批評(píng)這種觀點(diǎn)作為對(duì)t的解釋他屬性。)
物理問(wèn)題5:宇宙奧秘問(wèn)題
宇宙仍然有許多奧秘,但大多數(shù)vex物理學(xué)家的謎團(tuán)都是暗物質(zhì)和暗能量。這種類(lèi)型的物質(zhì)和能量是由它的重力影響來(lái)檢測(cè)的,但是可以直接觀察到,所以物理學(xué)家仍然試圖弄清楚它們是什么。盡管如此,一些物理學(xué)家已經(jīng)提出了對(duì)這些重力影響的替代解釋,這些解釋不需要新形式的物質(zhì)和能量,但這些替代方案對(duì)于大多數(shù)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)是不受歡迎的。
由Anne-Marie Helmenstine博士編輯。
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