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让物理学家头疼的五件事?

2018-03-09  |  《大科技》杂志 原创 收藏(79)  | 

物理理论的研究过程通常是这样的:经过多年的发展和完善,一个物理理论终于成形了,它可以很完美地解释现实,然后,它却预测出了没人想要的东西。爱因斯坦的广义相对论就是一个典型的例子。它是我们目前最好的引力理论,但是它却预测出了黑洞的存在——一个引力极强的时空区域,任何物质包括光都无法从中逃离出来。即使到了现在,物理学家都还在为黑洞这个概念感到头疼,因为关于它,有太多棘手的问题等待解决。而黑洞并不是唯一能让物理学家感到头疼的概念,下面我们就再举5个类似这样的例子。

量子的多重性

现实似乎非常确定,对吧?你在这里,足球在那里,你把足球踢飞,它最终会落到不远处,这都看起来很正常。但在量子力学那里,所描述的画面将会是完全不同的。

量子力学认为,事物在我们测量之前的状态是不确定的,它会同时处于多种状态之中,直到测量时,它的状态才被唯一地确定下来。例如,一件东西可以同时位于不同的地方,只有当我们测量到它时,它才会最终停留在某一个地方。就像那只足球,如果我们没有检测到它时,那么它可以同时处于各个位置上,只有当我们检测到它时,它才可能确定在操场某处。

爱因斯坦有点不信这一套,他在一次散步中,曾向他旁边的学生提问题,“你是否相信,月亮只有在看着它的时候才真正存在?”爱因斯坦认为,事物在测量之前应该也是确定的,而量子力学的解释恐怕不正确。但是,许多物理学同行并不这么认为,毕竟量子力学是有史以来最成功的科学理论,理论与实验结果极为相符。对此,美国物理学家戴维·慕尔明总结了大多数人的感受。他说:“闭上嘴,去计算!”意思是,像爱因斯坦提出这类问题没必要讨论,只要量子力学管用就行了。

为了理解量子力学这种看似荒谬的推论,物理学家还提出了很多不同的诠释。一个很出名的诠释叫做多世界诠释,它认为在测量之后,每个之前曾存在的量子状态都会继续存在下去,只不过它们处于平行世界中,我们只是看不见它们而已。还是用那只足球来比喻,当我们看到它时,它虽然确定在操场上,但也可能在别处,只是在别处的那只足球在与我们世界相平行的另一个世界里。

时间

关于时间,出问题的地方不是来自于物理学,而是来自于你。你可能会相信,时间正不断地从过去流向未来,但这其实是你的大脑产生的错觉。自从20世纪初爱因斯坦提出相对论以来,物理学中的时间概念已经被表达得很清楚了:时间并不流逝,客观的过去和客观的未来也都不存在。

除了这个矛盾以外,相对论和量子力学对描述时间的方式也不相同。相对论认为,时间与空间紧密相连,它们都是相对的概念。比如物体运动得越快,时间流逝得越慢。但量子力学却又回到经典的框架下,认为存在一个绝对的时间。

如何解决这些矛盾呢?大多数物理学家的回复可能仍是:“闭上嘴,去计算!”然而,一些物理学家仍在想办法去解决这些时间问题。其中一个观点认为,我们只需要对过去、现在和未来给出一个更好的物理定义,那么许多问题就有可能得到解决了。这个观点是否正确呢?只有时间才能告诉我们答案。

宇宙常数

入围,出局,再入围,再出局……宇宙常数的历史就是这么折腾。

爱因斯坦曾把它加入到他的广义相对论方程中,来稳定宇宙,并确保它在自身的引力下不会膨胀也不收缩。然后,在20世纪20年代,美国天文学家爱德文·哈勃和其他人发现宇宙实际上正在膨胀,这促使爱因斯坦抛弃了宇宙常数这个概念,并认为这是他一生中“最大的错误”。

然而在20世纪90年代,天文学家通过观测发现,宇宙实际上正在加速膨胀,而导致加速膨胀的背后力量被称之为“暗能量”。物理学家又把宇宙常数引入进来,认为暗能量就是一种宇宙常数,它能起到与引力相反的作用,能把宇宙中各个事物推开。

唯一的问题是,20多年过去了,人们还没有搞清楚宇宙常数(暗能量)的来源。当前最好的猜想是,宇宙常数是一种真空能,是真空中无数个转瞬即逝的虚粒子贡献出的能量。不过,物理学家根据量子理论推导出的真空能密度,约为1094g/cm3。但是,他们根据对宇宙膨胀情况的观测,得出的结果却只有10-29g/cm3。也就是说,宇宙常数的理论值竟然是观测值的10123倍。物理学家到现在也没搞清楚这么大的差距是怎么来的。

无穷

数学家相信无穷的存在,他们还认为,不仅存在无穷,而且还存在很多种无穷。事实上,无穷常常能大幅度简化数学的计算过程,数学家还经常发明出全新种类的无穷概念,来堵住他们在研究时遇到的逻辑漏洞。

但对物理学家来说,无穷无疑是一种痛苦。无穷令人难以驾驭,只要它在一个物理理论中出现,它就倾向于毁掉这个物理理论。例如,物理学家曾试图把电磁力和弱核力统一起来,但是他们的公式中老是出现无穷大的结果,使得计算无法进行下去。物理学家最终花了几十年才找到正确的数学方法,解决了该问题。而现在,黑洞、大爆炸之前的宇宙都存在密度无穷大的“奇点”,这些无穷仍在阻碍了引力理论与量子理论的统一。

一些物理学家已经受够无穷了。他们认为,宇宙可能不存在真正的无穷,那些被认为是无穷的东西,可能近似无穷而已。麻烦的是,完全没了无穷的概念,数学很难计算下去。

宇宙的热寂

宇宙的末日是什么样的?一些人认为,宇宙可能会在一场巨大的天文学暴力事件中结束。但是,许多物理学家认为,宇宙更可能会在漫长的时间里逐步地走向它的终点。

要怪就怪热力学第二定律。这个定律认为,宇宙的熵(表示混乱程度的物理量)会随着时间的流逝而增加,从有序走向无序。当熵达到最大值时,宇宙中所有可以被利用的能量都变为了无法利用的热能,宇宙各处都达到了热平衡。这种状态称为热寂。此时,宇宙各个天体都不复存在,一切都一样,没有任何变化发生。再加上暗能量使得宇宙膨胀得越来越快,最终宇宙会变得空旷、黑暗且寒冷。

我们当然不会在这里看到这一切,因为早在宇宙达到热寂之前,变为红巨星的太阳就已经把我们的地球烤化掉了。

但是,热寂这种结局不仅令人沮丧,走向结局的过程也比较乏味。于是,物理学家开始去考虑一些其他的可能,虽然结局仍令人沮丧,但其过程至少是惊心动魄的。其他的可能包括了大撕裂(宇宙在更强大的暗能量下被完全撕裂),以及大坍缩(宇宙万物反过来坍缩在一起)。

当然最有趣的一个可能是大崩溃——量子涨落导致宇宙某个区域变得不稳定,导致所有原子无法稳定存在下去,物质结构发生崩溃,并且从那里以光速向宇宙四周扩张。与其他的可能不同的是,我们不会提前知道何时会发生大崩溃。


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