让物理学家夜不能寐的7个问题

2009年10月15-25日在位于加拿大滑铁卢的圆周研究所举办了一个“从量子到宇宙”的主题节日，期间有数位世界最顶尖的物理学家受邀参加了一个脱口秀节目。在这个节目中所有的物理学家都被要求回答同一个问题――什么难题能让你夜不能寐？

尽管几乎所有的物理学家都表示自己并不存在睡眠问题，不过在这个谈话节目进行的过程中还是有7个问题浮出了水面。

为什么是这个宇宙？

　　在不断追寻自然界基本规律的过程中，物理学家们一直试图在搞清楚一个长期悬而未决的问题：为什么宇宙是我们所看到的这个样子。为什么我们居住的空间是3维，而不是2维、10维或者25维？为什么光速是如此之快而音速是如此之慢？为什么原子是如此得渺小，而恒星又是如此得硕大？为什么宇宙是如此得年老？如果还存在其他的物理定律，那是不是意味着在其他地方还存在着不同的宇宙？“对于我们所处的宇宙来说，也许我们最终会发现它别无其他的可能，只能是这个样子，”美国加州理工学院的物理学家肖恩・卡罗尔（Sean Carroll）说，“但我怀疑这并不正确。”很容易想象，如果自然界允许不同的宇宙拥有不同的物理规律，那么这个问题就变成了，在我们这个宇宙中为什么是这些物理定律而不是其他的？

世间万物由什么组成？

　　现在已经清楚地知道，普通物质――原子、恒星和星系――只占据了整个宇宙的4%。美国密歇根大学的物理学家凯瑟琳・弗里兹（Katherine Freese）则致力于弄清楚其余的96%是什么。每个星系都包含有暗物质，也正是这些不为人知的物质使得我们所居住的银河系免于瓦解。当暗物质聚集到相当数量的时候，它们就会发生碰撞湮灭，产生电子、质子、正电子和反质子。弗里兹非常兴奋，因为暗物质的性质即将被解开。美国宇航局费米γ射线空间望远镜的最新观测数据证实，银河系中暗物质粒子之间正在以能被我们观测到的速率在湮灭，这将揭示出它们的性质。但是对驱动宇宙加速膨胀的暗能量的发现又带来了一系列新的难题，且在短时间恐怕难以有所进展。这些问题包括暗能量自身的特性是什么？为什么它是如此之小，能让星系和恒星得以形成以及生命出现在这个宇宙中？

复杂性是如何产生的？

　　从金融市场的不可预测行为到生命的出现，美国芝加哥大学的物理学家和应用数学家利奥・卡德纳诺夫（Leo Kadananoff）则致力于复杂系统的出现。他担心，如果粒子物理学家和宇宙学家仅仅关注最小和最大尺度的东西，那么他们将会错过非常重要的东西。“我们仍然不知道窗玻璃是如何保持它的形状的，”卡德纳诺夫说，“因此研究我们熟悉的事物也同样的重要。”只有破解了简单的成分和简单的相互作用如何产生出复杂的现象之后，生命才有可能真正被了解。

弦理论会被证明是正确的吗？

　　剑桥大学的物理学家戴维・堂（David Tong）则着迷于弦理论的数学之美。弦理论认为我们观测到的基本粒子并不是“点”状的而是微小的“弦”。但当他意识到兴许在他的有生之年也无法知道这一理论是否真的能描述宇宙万物的时候，他也感到了茫然。即使是大型强子对撞机和“普朗克”卫星这些旨在揭示出新物理学的实验也无法对弦理论下任何决定性的结论。另一方面，有些弦理论预言自然界还存在一种极其微弱的力，对于不同组成的物质它会使得引力发生微小的变化，这就会使得不同的物体在引力场中以不同的速度下落。但这一差别远远小于目前可测量的范畴。不过当他知道弦理论中的方法还可以用于其他更实际的问题――例如，夸克的行为和特殊金属――时，他也感到了一丝欣慰。“这是一个有用的理论，”堂说，“因此我正试图专注于它的应用。”

什么是奇点？

　　对于宇宙学家、圆周研究所主任尼尔・图罗克（Neil Turok）来说，让他无法入睡的问题则是世间一切的起始――大爆炸。在宇宙创生之时，它处于温度和密度都无穷大的状态――奇点，所有已知的物理定律在那时都会失效。“我们不知道该如何描述它，”他说，“任何一个囊括所有物理的理论怎么能不包含它？”为了避免宇宙创生的奇点，他参与提出了“火劫”理论。这一理论认为，我们所处的世界是至少10维的宇宙中的一张低维膜，两个分立的三维膜会沿着垂直的维度前后震荡。每一万亿年左右，这两个膜就会彼此靠近并且碰撞，碰撞会释放出一个火球进而使得每个宇宙“重生”。同时，图罗克还寄希望于弦理论以及相关的“全息原理”。根据全息原理，一个三维的奇点可以被转换为二维空间中一个在数学上更容易处理的东西。这也许意味着第三维和引力只不过是一种“幻影”。他说：“这些工具给我了一条思考这一问题的新途径，并且它在数学上非常让人满意。”

什么是真正的实在？

　　物质世界在一定程度上可能超出了我们的认识，但是维也纳大学的物理学教授安东・蔡林格（Anton Zeilinger）认为物理学家仅仅是抓住了它的表面。量子力学中经常会出现古怪而难以想像的现象，例如一个粒子可以同时出现在两个地方。然而随着我们从原子大小的尺度进入苹果大小的尺度，模糊的量子世界便让位给了我们熟知的、确定的经典物理世界。蔡林格的专长是量子实验，他的小组通过富勒烯（碳60）之间的量子干涉证明了测量仪器的选择决定了被测物体的行为是量子的还是经典的。这同时也彰显了观测者对物理实在（实验结果）的影响。他说：“也许当我们开始了解实在、知识和我们行动之间的联系时，真正的突破就会到来。”这一观点看似虚幻，但却是实实在在的。蔡林格和其他人已经证明，彼此远离的粒子的量子态有着某种联系，因此观测其中一个就为影响另一个的状态。还没有人知道这一现象背后的真正原因。

物理学有没有终点？

　　也许最大的问题是，自伽利略和开普勒以来不断探索这个宇宙的过程是否正在临近终点。美国亚利桑那州立大学的劳伦斯・克劳斯（Lawrence Krauss）说：“我担心我们已经到达了实证科学的极限。”他想知道，为了了解我们的宇宙为什么会如此是否必须要认知其他的宇宙。如果这些认识是无法企及的，那也许这就是进一步深化我们对这个宇宙认识过程的终点。人们习惯于把理论物理的进展看成是某种偶然，是否存在一条途径可以加速我们的认识和发现。

　　当苹果砸到牛顿头上的时候，那年他25岁，随后他提出了引力定律并发展了微积分。同样也是在25岁，爱因斯坦提出了相对论，狄拉克提出了相对论性量子力学方程。也正是在这个年龄海森堡给出了量子力学的矩阵形式（矩阵力学）。因此美国宾夕法尼亚大学的高能理论物理学家吉诺・西格雷（Gino Segre）鼓励年轻人勇于思索一些奇特、怪异的想法。这也许将会是科学的终点，也可能会是更激动人心的事物的开端。对此我们没有答案。

（本文已刊载于《科学画报》2010年第4期）

内容来自 火流星

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