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物理学为何一直无法突破?因为还有62种乌云!尽头是超弦理论?

2024-08-13科学

目前物理学中存在62个未解之谜,其中已经涉及了诸如真空灾难、引力量子化以及暗物质粒子等主题。在未来,我计划逐一解析这些难题,这个系列预计将持续更新数年。

在这些所谓的「乌云」中,有一个问题尤为突出,它也是本期内容的核心。在整个物理学乌云系列中,我决定首先解释这个最复杂的问题,为你们构建一个全面的认知框架。在这个框架下,后续的更新将更加有序和高效。

现在,让我们直接进入正题。如果你对所有物理现象不停地追根溯源,你会发现所有的答案最终指向一个共同的问题:因果律的失效。

从这个根本问题出发,理论上可以解释任何物理现象。

在科学的历史长河中,物理学家们通常秉承一个简单但统一的理念:他们乐于将看似毫无关联的自然现象 纳入同 一理论框架中,从而揭示它们更深层的共同原因,逐步逼近那个终极问题。

这个终极问题就是万有理论(Theory of Everything,ToE)的追求。

回顾物理学的发展史,正是这种对万有理论的渴望不断推动了科学前进。

在17世纪以前,人们认为天体运动和抛物线运动由不同的物理法则控制。

然而,牛顿的理论出现之后,我们才意识到地面上的物体和天上的星体其实受到同一种力——万有引力的支配。

在1865年以前,尽管人们早已知晓磁铁和雷电的存在,却没能想到这两者之间可能存在联系。直至麦克斯韦方程的发表,电和磁的关系才得以明了,我们现在知道光、电、磁以及化学反应实际上都是电磁作用的表现。

20世纪初,量子力学的诞生,它将原子理论与经典物理统一了起来。

1905年,狭义相对论将质量与能量、时间与空间统一起来。

1915年,广义相对论进一步将时空与引力统一。

到了20世纪40年代,物理学家们将电磁理论、狭义相对论与量子力学统一,发展出了量子电动力学。

20世纪60年代,弱交互作用与电磁交互作用的统一,形成了电弱理论。

目前,物理学家们正努力将强交互作用与电弱理论统一,形成所谓的大统一理论(Grand Unified Theory,GUT)。

同时,也在努力将量子力学与广义相对论统一,形成量子引力理论。

量子引力理论的最终目标是与大统一理论合并,形成预期中的万有理论!

因此,物理学离达到万有理论的目标还有很长的路要走。当前更实际的目标是实现大统一理论!

什么是大统一理论呢?

根据大爆炸理论的预测,宇宙中所有的粒子和四种基本作用力都起源于大爆炸之初的一个奇点。

在宇宙大爆炸的最初瞬间,即在第一个普朗克时间内,宇宙的温度达到普朗克温度,此时所有的力和物质不分彼此。

当宇宙年龄超过第一个普朗克时间,温度降至10^31摄氏度,时间约为10^-35秒,物理规律开始生效,引力首先从其他三种基本力中分离出来。

在时间达到10^-32秒时,温度降至10^26摄氏度,强作用力分离。

在时间达到10^-12秒时,温度降至10^15摄氏度,能量为100GeV时,弱作用力与电磁力分离,至此,四大基本作用力完全分离。

大爆炸后宇宙的平均温度逐渐降低,引力、强作用力、弱作用力和电磁力依次分离。

逆向操作,即在粒子对撞机中不断提高粒子撞击的能量和温度,我们可以观察到电磁力和弱力首先合并,随后与强力合并,最终与引力合并。

但目前实验条件下所能达到的能量和温度,仅能观察到弱力和电磁力的合并,尚不能达到合并强力与引力的水平。

因此,目前阶段我们仅能实现电磁力与弱力的统一,即电弱理论。

未来,电弱理论将尝试与强力统一,进而实现大统一理论。

但要想将引力纳入大统一理论,人工创造的温度必须接近普朗克温度,这在实验上几乎是不可能的。因此,要统一引力,需要绕开这种实验限制,通过如量子引力理论和超弦理论等新方法来尝试。

超弦理论是否会成为终极理论呢?

在弦理论中,基本粒子被视为一种近似表达,实际上,如果放大观察,所有基本粒子都由一种小弦组成。这些弦在空间中或展开或闭合,它们存在张力,并能够以不同的模式振动。

这些振动模式就如同吉他弦那样,不同的振动会产生不同的波形。

这些不同的振动模式在量子尺度上表现为不同类型的粒子。

根据弦理论的计算,某些弦的振动模式类似于光子,而有些则类似于引力子。

如果我们接受所有基本粒子实际上 都由 更细微的弦构成的观点,那么引力子也可以被认为是由弦组成的。

然而,弦理论并非没有争议,它违反了「如无必要,勿增实体」的原则。

虽然弦理论能够将引力子与标准模型的其他粒子统一起来,但同时也带来了一些目前无法解决的新问题。

首先,弦理论预测的所有振动模式似乎都与玻色子(如光子和引力子)相符,但我们所在的世界明显存在费米子(如电子),这与弦理论的预测不符。

其次,弦理论还预测了存在所谓的 快子

——一种具有虚质量的超光速粒子。

最后,我们所感知的宇宙是四维的,包括三个空间维度和一个时间维度,而弦理论却只在26维的宇宙中适用,这与我们所知的宇宙大相径庭。

这些问题使得超弦理论目前陷入了停滞。

也有理论认为,也许这个世界根本就不存在什么万有理论。

让我们 再思考 一下物理理论的本质是什么?

物理理论本质上只是对自然现象的总结和归纳,它并不能解释现象为什么会这样发生。

我们并不创造现象,我们只是总结现象的人。

如果自然现象本身就是独立存在的,而不是源于某个可以衍生出所有现象的基本现象。

那么万有理论的设想就不可能实现。

因为万有理论的核心就是将所有自然现象纳入一个理论框架中,从这个最基本的理论出发,理论上可以解释任何自然现象。

物理理论必须基于现象,如果现象本身并非如此,那么理论也应当如此。

最后,我想表达我的个人看法:我认为真正的万有理论可能永远无法实现,因为如果我们仅凭借一个理论就可以解释宇宙中的所有现象,那将是一种悲哀。

自然规律的复杂性和奥秘远远超出我们几百年科学探索的范围。

物理学的统一不应该是探索宇宙的终点,而应该是驱动力。我始终坚信这样一句话:我们对已知的理解越深,未知的领域就会更加广阔。