物理学中的世界级难题与未解之谜.docx

物理学中的世界级难题与未解之谜彭亚峰2016年12月15日于北京一. 世界级难题当今物理学中存在不少的问题，有些问题非常难以解决而成为世界级难题。有的难题已经历经了三百多年；有的难题在众多科学家的努力下也一筹莫展；有的难题在计算机的辅助运算下也未能破解。划分世界级难题的依据是什么？1900年，数学家希尔伯特曾经提出了数学上的23个难题。物理学中的世界级难题却没有像数学中的23个难题那样有着统一的标准内容。这样就有必要提出一个划分标准。如果一个问题存在长达百年，也就是说大约经过了三四代人的努力仍然未能得到解决，就可以将该问题作为世界级难题了。以下是作者了解到的部分物理学世界级难题。如果您了解更多的内容，欢迎交流探讨。No. 1 万有引力的作用机制问题众所周知，牛顿于三百多年前发现了万有引力的作用规律。对于引力是如何产生的之问题，牛顿却未能给出答案。20世纪初，爱因斯坦在广义相对论中建立不同的引力理论，指出引力是物质存在影响了空间形变的结果，物体沿弯曲空间中的“直线”运动。广义相对论运用了引力质量与惯性质量等效这一现象与事实，却未能指出为什么；对于暗物质引力问题也束手无策。广义相对论预言的“引力波”虽然已经声称得到了实验的证实，却未指出与万有引力对称的斥力是否存在。爱因斯坦后半生曾致力于研究相互作用的大统一，但未能如愿以偿。量子理论已经提出了近一个世纪，然而量子引力理论仍然未能建立。各种弦理论/超弦理论被认为是最有可能解决四种相互作用的统一理论，但目前仍然未能解决理论面临的各种问题。判断引力理论完善与否的必要条件有：（1）揭示引力的作用机制及其本质。（2）完善引力的性质；解释引力质量与惯性质量等效的根本原因；解决与万有引力对称的斥力是否存在，在什么条件下存在的问题。（3）解决力的统一问题。（4）解决量子引力理论的建立问题。（5）解决暗物质引力问题，明确广义相对论中“引力”的本质。（6）协调各个引力理论，解决理论之间的相融性、兼容性问题。（7）获得并通过实验的检验。根据以上判决条件，可以说经典引力理论、广义相对论的引力理论、量子引力理论、弦理论/超弦理论都是不完善的。既然如此，引力问题就是物理学中重要的未解之谜；它引起了广泛的关注与研究。自牛顿发现万有引力定律以来的三百多年时间里，竟然暂时无人能全面破解引力问题。No. 2 引力质量与惯性质量相等的根本原因众多实验已经证明引力质量与惯性质量的确相等，但其根本原因仍然未能完全破解。该问题与万有引力的作用机制相关，可以将该问题列为万有引力问题的分支问题。由于破解该问题及其困难，所以也可以单列为一个世界级难题。自1890年厄缶开始用实验来验证这一结论至今，该问题已经存在一百二十年有余。No. 3 万有引力的对称斥力与“斥力子”问题无论是理论上，还是现实观测中，都未能发现与万有引力对称的斥力。如果引力波被证实，则引力子也就被默认为存在。根据对称性，从理论上讲，与之对称的“斥力波”、“斥力子”也应该存在。然而物质结构的标准模型中只有引力子而无斥力子。这是为何呢？该问题也是与引力相关的问题；遗憾的是该问题的研究并不热门。从引力、斥力的角度，该问题可以从牛顿发现万有引力算起，这一问题已经存在三百多年了；从引力子、斥力子的角度，该问题可以从标准模型中引申出来，则这一问题至少存在了半个世纪。No. 4 相互作用的大统一问题根据相互作用的表现，物理学将相互作用划分为：万有引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用四种。为什么要统一相互作用力呢？让它存在不是也很自然的事情吗？科学家相信，这四种作用有可能是一种作用在不同条件下的表现。爱因斯坦曾经致力于该项统一工作，但未能如愿。以此计算，该问题已经存在约百年了。如果万有引力的作用机制问题被解决了，相互作用力的统一问题就很有可能得到解决。No. 5 量子引力理论的建立问题在物理学高度发达的今天，量子引力理论仍然未能建立，不得不说这是物理学的一大遗憾。该问题没有显著的时间作为计算起点，如果以量子理论的建立初期起计，该问题存在约百年了。前述问题都与引力问题相关。可见，如果不解决第一个问题，后续的问题是很难突破的。这就找到了解决这一系列问题的先后顺序；违反这一顺序可能会事倍功半。No. 6 弦理论及其对力的统一问题弦理论（含超弦理论等各种弦理论）能否实现对相互作用力的统一呢？目前仍然是个未解之谜。弦理论基本上是建立在高深的数学基础上的，非专业学者望尘莫及。该问题自弦理论诞生以来，虽然只有约半个世纪左右，但其难度极高，这里也将其列为物理学的世界级难题之一（这是一个“早产”的世界级难题）。当然，可以将以上问题归纳为两个大问题，一个是引力问题，一个是力的统一问题。No. 7 湍流的形成机制问题湍流（紊流）是流体中非常混乱的流动现象，常常产生发散或收敛的涡旋，而且这些涡旋会不断的变化，几乎不能预测其流动的状况。由湍流引申出来两个问题，一是物理学中的湍流的机制，一是数学上的N-S方程的求解相关问题。传说德国科学家海森堡曾经说：“我将带着两个问题去问上帝，相对论和湍流；我真的相信上帝对第一个问题会有答案”。其含义是海森堡自己已经有了关于相对论问题的结果，只是还不能肯定，需要借助于外力；对于湍流的作用机制却一点眉目也没有。从十九世纪上半页发现纳维-斯托克斯方程（简称N-S方程）起计，湍流的形成机制这一难题已经存在一个半世纪了。在数学上，N-S方程的求解相关问题，于2000年被美国克雷数学研究所列为千禧年大奖难题之一，曾设立百万美元大奖。在大奖的推动下，该问题也未能完全解决。可见其难度之高。这些问题能得到解决吗？如何解决？这些问题的解决将对物理学产生怎样的影响？二. 物理学中的未解之谜这些问题对物理学来说，具有及其重要的意义。任何一个问题的真正解决，都将影响物理学，影响人类的认知。当然，有些问题的解决一旦获得实验的验证，还有可能冲击诺贝尔物理学奖。No. 1 暗物质问题按照万有引力定律，高速旋转星系的中心须有大质量星体或大质量物质，由它们的万有引力提供强大的向心力，否则这样的高速旋转星系就会因为没有足够的向心力而离心远去。观测表明其中心并无可见的星体，有科学家推测这可能是不可见的“暗物质”导致的。暗物质问题仍然可以归结为引力问题。广义相对论的引力理论能解决这一问题吗？如果广义相对论的引力理论是完善的，它就能够解决该问题；目前仍然没有肯定的结论。借用百度百科中关于暗物质篇章中的介绍“诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出：暗物质是笼罩二十世纪末和二十一世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”No. 2 宇宙膨胀问题观测表明，河外星系发射到地球上的光线普遍出现了红移。其红移量与距离成正比，根据哈勃定律计算得出星系正在远离地球；绝大部分的星系都远离地球，可以认为这种远离现象是宇宙膨胀的表现。后续的观测与计算表明宇宙不仅膨胀而且正在加速膨胀。由此逆推得出，宇宙最初有可能是从由物质与能量密度无穷大的“奇点”发生大爆炸并膨胀而来。如果宇宙继续膨胀下去，其物质与能量密度将变得及其稀薄而终结。这就是由红移理论演绎出来的宇宙奇点、宇宙大爆炸、宇宙膨胀的宇宙观。宇宙膨胀的原因是什么？其驱动力来至何处？宇宙膨胀理论还面临哲学困难。大爆炸之前，物质与能量是否存在，以什么形式存在，为何以这么高的密度存在？是什么原因导致了大爆炸？如果一直膨胀下去，宇宙将怎样终结？物质与能量转换到哪里去了？物质与能量的守恒规律是否会被破坏？与宇宙相关的问题还有：宇宙是有限的还是无限的？宇宙有无开端，会不会终结？平行宇宙存在吗？ No. 3 暗能量问题宇宙膨胀的原因或动力来源是什么呢？这一问题是宇宙膨胀理论最大的困惑。有学者认为，如果空间中存在一种暗能量，它具有负压强，则它就有可能推动宇宙膨胀。可见暗能量是为了解释宇宙膨胀原因而提出的假说。虽然是假说，但根据一些理论计算表明，暗能量占据宇宙68.3%的质能；暂时还不能因其是假说而否定暗能量的存在。暗能量具有什么性质，如何作用于宇宙膨胀？这些问题的渊源与宇宙膨胀问题有关，再早可以追溯至广义相对论；不过暗能量名词的提出却比较晚。暗物质问题与暗能量问题已经成为二十一世纪最热门的科研课题，也是最为神秘的两个问题。No. 4 物质结构问题虽然物质结构的标准模型已经成熟，大多得到了实验的验证；但物质结构的问题还不少。为什么物质比反物质多？夸克为什么会禁闭？自旋量子数的物理意义是什么？微观粒子为什么会自旋？中微子的性质与结构及其原因是什么？为什么电子、质子、中子三者的磁矩并不按照电荷的对称性而对称，是否与对称性破缺有关？电流、电子的结构，摩擦生电的机制如何？基本粒子的性质与孤立子的性质为何这么相似，这说明了什么？宇宙中、自然界中广泛存在螺旋结果的原因什么？所有粒子是否只由一种单一粒子构成，这一猜想可能是物质结构的终极问题。No. 5 对称性破缺问题虽然宇称不守恒已经被实验证明，其理论也被物理学界认可；但对称性破缺的问题仍然未能完全尘埃落定。为什么物质比反物质多？宇宙膨胀理论给出了解释，但还有很多非对称现象未能解决，例如电子、质子、中子三者的磁矩并不按照电荷的对称性而对称。各种对称性破缺的问题是否都是一个原因导致的呢？能否找到一个对称性破缺的原因，对所有对称性破缺都有效呢？这是对称性破缺的核心问题；该问题仍然未得到完全解决。No. 6 磁单极子问题二十世纪三十年代，英国物理学家保罗狄拉克（Paul Dirac）根据数学运算从理论上预言了磁单极粒子的存在。当然，也有反对的声音，认为磁单极子不存在。如今，探寻磁单极子的科研工作非常热门，但目前仍然没有得到公认的肯定结果。磁单极子在理论上是否存在，能否探寻到磁单极子，这是磁单极子问题的核心。No. 7 惯性质量的来源问题惯性质量的来源已经由希格斯机制给出，并获得了肯定；而且希格斯粒子也于2013年3月被发现。奇怪的是某些孤立子也具有惯性质量，这又是为何呢？这两种不同的惯性质量是否起源于相同的机制呢？能否得到更为简洁的惯性质量来源的机制呢？惯性质量的来源问题并没有终结，它仍然是一个未解之谜。惯性力真实存在吗，其施力物体是谁？No. 8 混沌现象及其理论的问题经典力学研究的的是确定的力学系统，可以在一定精度上预测运动系统的未来。与之不同的是混沌系统，这类系统既具有某种规律性，但又具有某种不确定性，几乎很难预测其运动的未来。其实，混沌系统才是宇宙中的主角，其存在范围非常广泛，除了在物理世界中常见，在生物繁衍中、经济活动中都有所体现。对混沌的研究已经取得显著的成果，不过仍然还有一些问题等待着人们的研究。例如流体中产生湍流的机制是什么，这一问题已经成为世界级难题。混沌系统与经典力学系统的本质区别如何？混沌系统往往是非线性系统，其偏微分方程很难求解，如何进一步研究混沌系统？No. 9 量子世界中的反常问题从黑体辐射中，发现其辐射的能量在某条件下是以不连续的量子化能量辐射出来的，由此打开了量子理论的大门。量子的性质与宏观世界的性质出现了较大的差异：宏观世界中能量变化是连续的，量子世界中能量分布、能量辐射是非连续的；早期认为宏观物体没有波动性，量子不仅有粒子性也有波动性；宏观物体的物理量是能在一定误差范围内较为准确测量的，量子的某些性质却测不准，满足测不准原理；狭义相对论否定了超光速运动的存在，量子纠缠态之间“似乎”存在无穷大速度；宏观物体只能存在某个范围之内而不可能存在于该范围之外，量子存在于某指定范围之外的概率并不为零；宏观物体的状态只能是处于多个状态中的一个，量子却可以处于多个状态的叠加态之中；描述波动性的薛定谔方程的物理意义是什么？目前，把这些反常性质视为量子的性质存在与量子理论中。也许量子的确拥有这些性质，但是如何理解呢？或者这些性质并非量子的独特性质，而宏观物质也具有类似的性质？ 有些问题仍然是悬而未决的。No. 10 物理学中的佯谬或悖论问题典型的佯谬或悖论有：EPR悖论、祖母悖论、薛猫悖论、奥伯斯佯谬、茶叶佯谬、双生子悖论（时钟佯谬）等等。需要解决这些问题吗？能否得到解决，如何解决；这些佯谬或悖论的解决能否推动物理学的发展？关于佯谬或悖论的问题还牵涉到更深层、更核心的问题，那就是理论的自洽性问题，不同理论之间的兼容性或相融性问题。现代物理学还没有完全解决理论的自洽性问题、理论之间的相融性问题。No. 11 相对论的问题相对论是现代物理学的重要组成部分，但其中的问题仍然不少：狭义相对论的自洽性问题（双生子悖论或时钟佯谬）；狭义相对论与广义相对论的时空观冲突问题（狭义相对论强调时空的可变性，广义相对论强调坐标变化下的不变性，二者的时空观冲突）；狭义相对论中运动速度趋近于光速时，运动质量趋近于无穷大的问题；狭义相对论的光速不变原理与超光速现象、低光速现象矛盾；光是否需要传播介质，以太是否存在，以太与暗物质有何关系？广义相对论与量子理论的相融性问题；广义相对论引力的本质问题，广义相对论预言的引力波的本质问题（电磁波的自旋为1，引力波的自旋为2，二者的性质并不相同，可见引力波并不是电磁波）；如何理解广义相对论中的光线弯曲、空间弯曲；广义相对论的场方程求解困难问题，有无替代理论的问题有些问题已经得到了解释，但还有些问题仍然未能解决。No. 12 时空问题时间究竟是什么？时间存在吗？时间是无限的吗？时空究竟具有绝对性还是具有相对性？时间虫洞存在吗？能否利用时间虫洞回到过去、穿越到未来？时间是单向流动的吗？时间