世界上最简单的难题
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发布时间：2024-10-24 23:13
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时间：2024-10-24 23:42
1. 所有可测量的物理世界特征的无量纲参数是否都可以推算，或者是否存在一些仅仅取决于历史或量子力学偶发事件，因而也是无法推算的参数？爱因斯坦的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择？想象上帝坐在控制台前，准备引发宇宙大爆炸。“我该把光速定在多少”？“我该让这种名叫电子的小点带多少电荷”？“我该把普朗克常数——即决定量子大小的参数——的数值定在多大”？他是不是为了赶时间而胡乱抓来几个数字？抑或这些数值必须如此，因为其中深藏着某种逻辑？
2. 量子引力如何帮助解释宇宙起源？现代物理学的两大理论是标准模型和广义相对论。前者利用量子力学来描述亚原子粒子以及它们所服从的作用力，而后者是有关引力的理论。很久以来，物理学家希望合二为一，得到一种“万物至理”——即量子引力论，以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何随着大爆炸自然地诞生的。实现这种融合的首要候选理论是超弦理论，或者叫M理论——这是其名称的最新“升级版”，M代表“魔法”（magic）、“神秘”（mystery）或“所有理论之母”（mother of all theories）。
3. 质子的寿命有多长，如何来理解？以前人们认为质子与中子不同，它永远不会*成更小的颗粒。这曾被当成真理。然而在70年代，理论物理学家认识到，他们提出的各种可能成为“大一统理论”——该理论把除引力外的所有作用力汇于一炉——的理论暗示：质子必须是不稳定的。只要有足够长的时间，在极其偶然的情况下，质子是会*的。办法是捕捉到正在死去的质子。许多年来，实验人员一直在地下实验室中密切注视大型的水槽，等待着原子内部质子的死去。但迄今为止质子的死亡率是零，这意味着要么质子十分稳定，要么它们的寿命很长——估计在10亿亿亿亿年以上。
4. 自然界是超对称的吗？如果是，超对称性是如何破灭的？许多物理学家认为，把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理论要求证明两种差异极大的粒子实际上存在密切的关系，这种关系就是所谓的超对称现象。第一种粒子是费密子，可以把它们粗略地说成是物质的基本组件，就像质子、电子和中子一样。它们聚集在一起组成物质。另一种粒子是玻色子，它们是传递作用力的粒子，类似于传递光的光子。在超对称的条件下，每一个费密子都有一个与之对应的玻色子，反之亦然。物理学家有杜撰古怪名字的冲动，他们把所谓的超级对称粒子称为“sparticle”。但由于在自然界中还没有观察到sparticle，物理学家还需要解释这种对称性“破灭”的原因：随着宇宙冷却并凝结成现在的这种不对称状态，在其诞生之际所存在的数学上的完美被打破了。
5. 为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数？这只是一个因为还没有想到一个可以接受的答案，只是因为除了上下、左右、前后，人们无法想象在更多的方向上运动。这并不意味着宇宙原本就是这样。实际上，根据超弦理论，肯定还存在着另外六个维数，每一维都呈卷曲状，十分微小，因而无法察觉。如果这一理论是正确的，那么为什么只有这三个维数是伸展开来的，留下给我们这个相对幽闭恐怖的空间呢？
6. 为什么宇宙常数有它自身的数值？它是否为零，是否真正恒定？直到最近，宇宙学家仍然认为宇宙是以一个稳定的速度在膨胀。但最近的观察发现，宇宙可能膨胀得越来越快。人们用一个叫宇宙常数的数字来描述这种轻微的加速。这个常数是否如人们早期所认为的是零，或者是一个非常小的数值，物理学家还无法做出解释。根据一些基本计算，这个常数应该很大——是我们观测结果的大约10的122次方倍。换句话说，宇宙应该以跳跃般的速度在膨胀。而实际情况并非如此，肯定有什么机制在压制这种作用。如果宇宙真是超对称性的，那宇宙常数就该被完全抵消掉。但这种对称性——如果确实存在的话——看来已经破灭。如果这个常数随时间的变化而变化的话，那情况就更加复杂了。
7. M理论的基本自由度（M理论的低能极限是11维的超引力，它包含5种相容的超弦理论）是多少？这一理论是否真实地描述了自然？多年来，超弦理论最大的弱点是它有5个不同的版本。到底哪一个——如果有的话——描述了宇宙？反对这一理论的人最近已经接受了被称为“景观理论”的观点，即可能存在大量的宇宙，每个宇宙都有不同的超弦理论版本。那么，我们生活其中的宇宙是否只是这个多元宇宙中的一个？
8. 为什么宇宙中的物质比反物质少？在宇宙的早期，物质和反物质应该以等量的形式存在。然而，我们今天所观察到的宇宙中，物质远远多于反物质。这个巨大的不对称性被称为“宇宙的组成问题”。物理学家还没有找到一个令人信服的解释。一种可能的解释是，在宇宙的某个阶段，反物质被转化为物质，但这个过程的细节仍然是一个谜。
9. 黑洞的奇异性质是什么？黑洞是广义相对论和量子力学交汇的地方。根据广义相对论，黑洞是由极端密集的物质组成，其引力强大到连光都无法逃脱。然而，根据量子力学，信息不能被摧毁。这两个理论在黑洞问题上似乎存在冲突。物理学家仍在探索黑洞的奇异性质，以及它们如何与量子力学相协调。
10. 为什么量子力学和广义相对论不兼容？量子力学描述的是微观世界的行为，而广义相对论描述的是宏观世界的引力现象。尽管在某些条件下，这两个理论可以共同描述宇宙，但在其他条件下，它们之间存在明显的矛盾。物理学家仍在寻找一种能够统一这两个理论的理论，以便能够更全面地理解宇宙。
