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世界性物理难题摘要1自然界是否存在五种以上的基本作用力？ 2基本物理常数的数值会随时间改变吗？ 3自然界的基本常数为什么具有现在的数值？ 4引力能否被屏蔽？ 5负引力存在吗？ 6宇宙中不断有物质创生吗？ 7引力子，你在何方？ 8新以太是否存在？ 9为什么时间具有方向性？ 10宇宙时是不均匀时间流吗？ 11为什么物理学的基本方程都具有时间反演不变性？ 12为什么绝对零度不可达到？ 13为什么热水比冷水冻结快些（Erasto Mpemba问题）？ 14运动物体的温度会改变吗？ 15开放系统的熵具有什么物理意义？ 16湍流形成的机理是什么？ 17地球磁场极性颠倒的原因是什么？ 18南极空洞是怎么形成的？ 19生物体内有核反应吗？ 20地球外有智慧生物吗？ 21地震前的地光是怎么形成的？ 22为什么闪电多之字形少球形？ 23自然界是否存在七种对称性晶体？ 24能否解决强关联多电子系统的基态和元激发问题？ 25能否解决低维凝聚态物理新现象的理论问题？ 26何时能揭开狄拉克的大数之谜？ 27可观测宇宙的空间有多大？ 28宇宙中的暗物质是由什么粒子构成的？ 29为什么宇宙中反物质如此少？ 30反物质世界存在吗？ 31反物质能源能否实现？ 32可控轻核聚变能否实现？ 33激光热核反应的点火条件（劳森判据）能否达到？ 34常温核聚变能否实现？ 35冷核聚变能否实现？ 36薛定谔的猫是死还是活？ 37EPR之谜能否解决？ 38量子混沌确实存在吗？ 39高温超导的微观机理是什么？ 40可否发现室温超导体？ 41最后一个超重元素的质子数是多少？ 42热中子辐射俘获疑问的实质是什么？ 43原子核磁矩能否准确计算出来？ 44Gamow-Teller巨共振问题gA（核内核子）!=gA（自由核子）能否解决？ 45奇异电子峰是怎样形成的？ 46EMC效应能否解决？ 47质子自旋危机能否解决？ 48电子与核散射中，纵向响应形状因子问题能否解决？ 49有限核的结合能与能极能否一一准确算出来？ 50夸克胶子等离子体（QGP）物质态是否真的存在？ 51双生子佯谬能否解决？ 52穿洞佯谬能否解决？ 53滑落佯谬能否解决？ 54柔绳佯谬能否解决？ 55直角杠杆佯谬能否解决？ 56静止长度上限佯谬能否解决？ 57运动物体视在形象佯谬能否解决？ 58长度缩短的应力效应佯谬能否解决？ 59超光速佯谬能否解决？ 60快子佯谬能否解决？ 61奥本海默佯谬能否解决？ 62奥伯斯佯谬能否解决？ 63宇宙种子磁场的来历是什么？ 64太阳中微子之谜能否解决？ 65中微子有无静止质量？ 66有无中微子振荡？ 67类星体的能源是什么？ 68黑洞何时可以露真容？ 69磁单极是否存在？ 70Higgs粒子是否存在？ 71质量的起源是什么？ 72真正的对称自发破损的机理是什么？ 73自由夸克能否直接在实验中被发现？ 74有无胶子球存在？ 75轴子，畴壁能否找到？ 76存在第四代基本粒子吗？ 77CP不守恒难题只能在中性K介子衰变中见到吗？ 78引起CP对称性破坏的力是什么？ 79e-u-t之谜何时能解开？ 80亚夸克结构仅仅是推测吗？ 81质子的寿命有多长？ 82电子有无结构？ 83光子有无结构？ 84真空的本质是什么？ 85有无奇异物质存在？ 86C，物理中的疑难能否解决？ 87是否存在中性，稳性，质量至少大于40GeV的超对称粒子？ 88究竟有无超弦？ 89虫洞究竟有没有？ 90时间机器能造出来吗？ 91引力能否用量子理论加以描述？ 92能否将引力和其他几种基本力统一起来？ 93自然界手征不对称起源的关键是什么？ 94宇宙会一直膨胀下去吗？ 95宇宙大爆炸的量子起源是什么？ 96大爆炸之前可能存在什么？ 97我们的宇宙是否有兄弟姐妹？ 物理学前沿八大难题概述：难题一：什么是暗物质难题二：什么是暗能量难题三：从铁到铀的重元素如何形成难题四：中微子有质量吗难题五：超高能粒子从哪里来难题六：超高温度和密度之下是否有新的物质形态难题七：光子是不稳定的吗难题八：有几维空间 具体介绍：难题一：什么是暗物质 我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4。各种测算方法都证实，宇宙的大部分是不可见的。 最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子： neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到。据认为，这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。难题二：什么是暗能量 宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。 这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状是扁平的。这也反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了23。难题三：从铁到铀的重元素如何形成 暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。 当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，其中有大量现成的中子，尽管其成因还不清楚。最近，一些科学家已确定，至少一些最重的元素，如金、铅等，是形成于更强的爆炸中，当两颗中子星微型的、燃烧后的星球遗骸相撞塌陷成为黑洞时。难题四：中微子有质量吗 不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种电磁、强力和弱力的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子。难题五：超高能粒子从哪里来 太空中能量最大的粒子，其中包括中微子、Y射线光子和其他各种形式的亚原子榴征弹都称作字宙射线。它们无时无刻不在射向地球；当你读这篇文章的时候，可能正有几个穿过你的身体。宇宙射线的能量如此之大，以至于它们必须是在大灾变造成的宇宙加速活动中产生。科学家估计的来源是：创世大爆炸本身、超新星撞成黑洞产生的冲击波，以及被吸人星系中央巨大黑洞时的加速物质。了解这些粒子的来源以及它们如何得到如此巨大的能量，将有助于研究这些物体的活动情况。 难题六：超高温度和密度之下是否有新的物质形态 在能量极大的情况下，物质经历一系列的变化，原子分裂成其最小的组成部分。这些部分就是基本的粒子，即夸克和轻子，据目前所知它们不能再分成更小的部分。夸克性质极其活跃，在自然状态下无法单独存在。它们会与其他夸克组成光子和中子，两者再与轻子结合形成整个原子。 这都是现有科学可以推测的，但当温度和密度上升到地球上的几十亿倍时，原子的基本成分有可能会完全分离开来。形成夸克等离子体和将夸克聚合在一起的能量。物理学家正尝试在长岛的一台粒子对撞机中创造物质的这种形态，即一种夸克一胶子等离子体。在远远超过这些科学家在实验室中所能创造出的更高温度和压力之下，等离子体可能变成一种新的物质或能量形式。这种阶段性变化可能揭示自然界的新力量。 要使这些力量结合起来，就必须要有一种新的超大粒子规范玻色子，如果它存在的话，就可以使夸克转变为其他粒子，从而使每个原子中心的光子衰变。假如物理学家证明光子能够衰变，那么这一发现就会证明有新力量的存在。 难题七：光子是不稳定的吗 如果你担心组成你的光子会分解蜕变，将你变成一堆基本粒子和自由能量，那大可不必为此着急。各种观察和试验表明，光子的稳定时间至少在10的33次方年。然而，许多物理学家认为，如果这三种原子力确实是单个统一场的不同表现形式，前文所说的神秘变化的超大玻色子就会不时从夸克中演化出来，使夸克及其组成的光子衰退。 如果一开始你认为这些物理学家脑子出了毛病，那也是情有可原的，因为按理说微小的夸克不可能生成比它重这么巨大倍数的玻色子。但根据海森伯的测不准原理，我们不可能同时知道一个粒子的动量和位置，这就间接使这样一个大胆命题可以成立。因此，一个巨大的玻色子在一个夸克中生成，在很短时间内形成一个光子并使光子衰变是可能的。 难题八：有几维空间 对重力真正性质的研究也会带来这样的疑问：空间是否不仅仅限于我们能轻易观察到的四维。这就将我们引向了一些线性理论学家对重力的解释，其中就包括其他维的空间。开始的宇宙线性理论模型将重力和其他三种力在复杂的11维宇宙中结合起来。在那个字宙也就是我们宇宙中其中的7维隐藏在超乎想像的微小空间中，以至于我们无法觉察到。弄懂这些多维空间的一个办法是，想像一个蛛网的一根丝。用肉眼来看，这根细丝只是一维的，但在高倍放大镜下，它就分解成了一个有相当宽度、广度和深度的物体。线性理论学家说，我们之所以看不见其他维的空间，只是因为缺少能将它们分解的精密仪器。100年前，德因数学家戴维希尔伯特在巴黎的国际数学家大会上以一番发人深省的 话语开始了他划时代的讲话。他在讲话中罗列了当时尚未解决的23个重大难题。希尔伯特宣称：“个伟大时代的结束，不仅要求我们回首过去，而且还引导我们回首对未知的将 来进行深思。”随着又一个世纪实际上是整整一个千年纪元的结束，有一种要求 显得比以往任何时候更为紧迫，那就是通过罗列最引人入胜的宇宙之谜来显示人类的无知 。 今年5月，马萨诸塞州剑桥的克莱数学学会仿效希尔伯特，在巴黎宣布了7道“千年大奖难题”，每道题悬赏100万美元征求解答。 无独有偶，上月，存圣巴巴拉加州大学，物理学家们像通常那样不事张扬地结束了一 次有关超弦理论的会议。他们的最后一次讨论题为“干年疯狂”，议程是挑选出他们领域 中10个最匪夷所思的问题。这就像是一场由科学界最聪明的一批人参加的荒岛游戏。 圣巴巴拉加州大学的理论物理学家戴维格罗斯在公布选出的问题时说：“我是这样 考虑的：如果我从现在起昏迷100年，当我醒来时，我会问什么问题。” 在剔除一些大法问答的问题(例如“怎样获得终身职位?”)后，评委们列出了足够让 物理学家忙上100年的难题。尽管没有任何悬赏，不过，解决下列问题中的任何一个差不 多都能保证获得诺贝尔奖。 1表达物理世界特征的所有(可测量的)无量纲参数原则上是否都可以推算，或者是否存在一些仅仅取决于历吏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沦。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 alltheories)。 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，它永远不会分裂成更小的颗粒。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，质子是会分裂的。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空中密切注视大型的水槽，等待着原子内部质子的死去。但迄今未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5particle，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，人们无法想像在更多的方向 上运动。这并不意味着宇宙原本就是这样的。实际上，根据超弦理论，肯定还存存着另外六个维数，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，物理学家现在还无法做出解释。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到122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。 7M理论的基本自由度( M理论的低能极限是 ll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 M理论的最主要的 l l维理论框架。但情况却因此变得更加复杂。在 M里论前，所有的亚原子粒子都被说成是由微小的超弦组成的。M理论给组成亚原子的物质增加了一种叫做“膜”(brane)的更为神秘的物质，它就像生理学上的膜一样，但最多有9个维数度。现在的问题是，什么是更基本的物质组成单位，是膜组成了弦还是刚好相反?或者另外存在着一些更基本的物质单位，只是人们没有想到罢了?最后，这两种东西中是否有一种确实存在，或者 M理论仅仅是一种迷人的大脑游戏? 8，黑洞信息悖论的解决方法是什么? 根据量子理论，信息无沦它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗粒组成文件的确切方式是不会从宇宙中消失的。但物理学家基普索恩、约翰普雷希尔和斯蒂芬霍金却提出了一个固定的假设：如果你把一本大不列颠百科全书扔进黑洞中去，将会发生什么事?宇宙中是否有其他同样的百科全书是无关紧要的。正如物理学中所定义的，信息并不等同于含义，信息仅指二进制的数