物理学前沿问题探究

课程名称:前进中的物理学论文题目：物理学前沿问题探究学号：姓名：年级：专业：学院：完成日期：物理学前沿问题探究我是南开大学物理学院的学生，自然对物理学的前沿问题较一般的同学有更多的了解，对这方面也更感兴趣，我希望能更多地了解这方面的知识，以使自己对物理学的未来有一个更清晰的认识。物理学一一一门非常严肃的科学，源自哲学，由于数学方法的引进而成为一门独立的科学，其终极目的是探知宇宙的精神。我们的物理学发展到现在已经为我们认识和改造世界提供了一件又一件法宝:光学显微镜，使生物学拥有了细胞学说；蒸汽机，引发了工业革命；引力理论，成为了太空航行的理论依据;电力的发现，让化学出现了新的分支一一电化学;能量守恒定律，使人们不在盲目建造永动机；热力学第二定律，指出了时间的方向性；电子显微镜，使生命科学进入分子生物学时代；电子计算机，引领世界进入信息时代；将来，量子通信，量子计算机，必将使世界进入全新的量子时代！我相信物理学必将继续引领世界前进的步伐，但是其基础是一个个前沿难题的解决或新发现，物理领域有着大量的前沿课题，相信我们年轻的一代，以及其他未来的科学家必将在这些方面有所建树。下面我将对这些疑难问题做一个概述：1、 关于整个宇宙和天体的创生和演化宇宙起源问题、黑洞的研究、宇宙年龄问题、宇宙有怎样的结构、暗物质、暗能量、类星体的结构、引力波的存在问题、太阳系诞生问题、地-月创生和演化、生命起源于哪里、外星生命是否存在、宇宙加速膨胀之谜……2、 微观世界中物质结构和基本粒子的相互作用及其运动规律物质深层结构之谜（质子自旋危机）、概率论和决定论的争论、统一场论的最终导出（大统一、超统一）、超弦、真空不空问题、量子计算机、量子隐形传态、量子非局域性、量子论与相对论之矛盾、狭义相对论与超光速疑难……3、 宏观范围内的非线性复杂性问题自组织与耗散结构、分形与分维、多体问题、混沌理论、孤立波、湍流、高温超导、超流、纳米材料、凝聚态物理、人工智能和神经计算……其实我们研究这一切的最终目的,是理解我们所身处的宇宙，明白自己从何处来，到何处去，理解我们生活中的一切现象。最近我们对这些问题的研究又有了新进展，下面我将举例介绍几个问题及其最新进展，部分内容为引用1、大型强子对撞机当前世界上能量最高的强子对撞机位于瑞士日内瓦，由欧洲核子研究中心建造的大型强子对撞机将投入运行,届时将成为世界上能量最高的强子对撞机，它能使质子-质子在14TeV的质心能下对撞。大型强子对撞机磁体高16米，长、宽均有10多米，重达1920吨。工程技术人员专门建造了一个巨型吊架，用4根粗钢缆吊住这个磁体，借助液压顶泵将磁体缓慢放入隧道。它长达27公里的环形隧道可被用来加速粒子，使其相撞,创造出与宇宙大爆炸万亿分之一秒时类似的状态。在高能物理实验中，粒子加速器和探测器是常用设备。探测器用来探测碰撞产生的微小粒子,记录粒子能量、质量等信息。强子对撞机上共有4个对撞点，各装有一个探测器，其中一个为CMS（紧凑型u介子螺线管）探测器。下面引用李淼（中科院理论物理所）在《大型强子对撞机的事实和神话》中的一段话：“位于日内瓦的欧洲核子中心一直是高能物理（或粒子物理）的实验中心之一，有时在某种意义上甚至是惟一的。着手建造于1997年的大型强子对撞机（LHC）终于在本月10日当地时间上午9点半注入第一束粒子，标志着以LHC为中心的新的粒子物理纪元的开始。“目前物质结构的最完美的理论，叫做标准粒子模型，还剩下最后一个粒子没有被发现。这个粒子学术上叫做希格斯粒子，在西方有时被称为上帝粒子，原因是很多基本粒子的质量来源于这个粒子。例如，如果没有这种粒子，我们就无法解释电子的质量是哪里来的。粒子物理学家们根据理论推测,上帝粒子应该出现在LHC上的质子（就是氢元素的原子核）和质子对撞瞬间的过程中。“物理学家们为未来的实验准备了很多五花八门的设想。例如有一种设想认为,世界比我们想象的还要对称，自然界中每一个基本粒子都有一个隐形的伙伴，叫做超对称伙伴。例如，电子应该有一个叫做超电子的伙伴，这些伙伴的某些性质和原来的粒子一样，有些性质完全不一样。例如超电子应该带有和电子一样大的电荷，但自己不像电子那样不停地自转，它的质量也远远大于电子一一这是我们到现在还没有看到它们的原因。超对称理论还不是最神奇的理论，更加神奇的理论包括大额外维:在三度空间之外还存在更多的空间维，还有超弦理论:粒子不是粒子，其实是一根振动的弦。如果我们足够运气，LHC也许会发现额外维，甚至很多振动的弦。虽然物理学家们不乏想象力，但大自然的想象力超出任何物理学家，也许,LHC会给我们带来完全意料不到的东西。”没错,LHC作为世界上加速能力最高的粒子加速器，终将带给我们一个又一个的惊喜，而希格斯玻色子的发现就是最有力的证明！LHC是人类科学的又一伟大成果，这一成果又将不断推进人类对自己、对世界、对宇宙的认识，使人类进一步增强自己的能力，让科技不断向前进发！2、量子计算机“量子计算机的运算能力到底有多强大？”这是人们常想到的一个问题。对此，中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿有这样的比喻：“电子计算机出现的时候，人类之前赖以使用的运算工具算盘就显得奇慢无比。与此类似,在量子计算机面前，电子计算机就是一把不折不扣的算盘。”在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成,并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。量子计算机将掀起一场划时代的科学革命。人类一旦掌握了这种强大的运算工具，人类文明将发展到崭新的时代一一量子时代。3、暗物质它表明我们的宇宙非常神奇，远远超出我们想象。在宇宙学中，暗物质是指那些自身不发射电磁辐射，也不与电磁波相互作用的一种物质。1930年初，瑞士天文学家扎维奇发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，扎维奇的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是:星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢?根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20-30%才合适。天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中,重子物质约占2%,也就是说,宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%,98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%,热暗物质约占30%。至今我们仍未观测到暗物质，但是我相信有这么多科学家的努力，暗物质之谜最终一定会被揭开。4、三体问题三体问题是天体力学中的基本力学模型。它是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。现在已知，三体问题不能精确求解，即无法预测所有三体问题的数学情景，只有几种特殊情况已研究。现在，已经有了十六个特解。其中十三个是最近才发现的。要发现三体问题的周期性特解绝非易事一一自“三体问题”被确认以来的300多年中，人们只找到了3族周期性特解一一拉格朗日-欧拉族、布鲁克-赫农族和“8”字形族。塞尔维亚物理学家米洛万•舒瓦科夫和迪米特拉•什诺维奇发现了新的13族特解。他们在著名学术期刊《物理评论快报》上发表了论文，描述了他们的寻找方法:运用计算机模拟，先从一个已知的特解开始，然后不断地对其初始条件进行微小的调整，直到新的运动模式被发现。这13族特解非常复杂，在抽象空间“形状球”中，就像一个松散的线团。三体问题的研究是一个前沿问题，关系到宇宙学的进一步发展和数学领域的进步，将为宇宙星体间的理论计算产生很大的影响。甚至国内有一部科幻小说的名字就叫做《三体》！5、M理论在“理论物理”中，“M理论”是“弦理论”的一种延展理论。“M理论”当中指出，描述完整的物理世界一共需要十一个维度，其维度超过“弦理论”所需要的十维，其支持者相信该理论统合了所有五种“弦理论”，并成为终极的物理理论。原始“M理论”的“M”字是取自于膜的英文，膜理论是一个统一化弦理论当中的建设性设计方案。不过，由于威腾比他的同行们更加怀疑膜理论的真确性，他最后选择了“M理论”而非“膜理论”作为理论名称。“M理论”及“弦理论”被猛烈抨击缺乏可预测性及无法验证，质疑“M理论”者,大多数是术有专精的实验物理学家。虽然进一步的研究不断地加入周边相关理论的数学架构，目前所理解的“M理论”是否是个成功的理论则是大受质疑，特别是其理论的不完备性、预测能力有限，此外物理诠释方向可任人观点而异,而不具备科学的实证客观性。虽然学习“M理论”需要大量高等物理及数学的背景知识，但由于目前缺乏物理实验的证明，学界普遍认为“M理论”并非物理科学，而是属於哲学的一个分支，在出现确凿实验证据支持之前,无法归类于科学之下，在它冠上“终极物理理论”皇冠之前，必须经过各种严苛的物理实验数据考验。实际上，“M理论”目前没有任何的预测被实验验证,完全不能被归类于科学的范畴之内，事实上，“M理论”所推导的任何结果，除非实验检验证实其真实性，都应该要被怀疑在真实的物理世界当中高度极可能不会发生，因此，目前而言，采用“根据M理论推导……”一词作为物理论述证据，是一种极度不恰当的举动，因为“M理论”只是假说，而不是已经验证的物理理论。6、类星体类星体，又称为似星体、魁霎或类星射电源，与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一道并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。绝大多数类星体都有非常大的红移值，根据哈勃定律，它们的距离远在几亿到上百亿光年之外。观测发现，类星体远远小于一般的星系的尺度。类星体最初是在射电波段发现的，然而它在光学波段、紫外波段、X射线波段都有很强的辐射，射电波段的辐射只是很小的一部分。20世纪90年代中期,随着观测技术的提高，类星体的谜团开始逐渐被揭开。其中一个重要的成果是观测到了类星体的宿主星系，并且测出了它们的红移值。由于类星体的光芒过于明亮，掩盖了宿主星系相对暗淡的光线，所以宿主星系之前并没有引起人们的注意。直到在望远镜上安装了类似观测太阳大气用的日冕仪一样的仪器，遮挡住类星体明亮的光，才观测到了它们所处的宿主星系。越来越多的证据显示，类星体实际是一类活动星系核(AGN)。而在同一时期，赛弗特星系和蝎虎BL天体也被证实为是活动星系核，一种试图统一射电星系、类星体、赛弗特星系和蝎虎BL天体的活动星系核模型逐渐受到普遍认可。这个模型认为，在星系的核心位置有一个超大质量黑洞,在黑洞的强大引力作用下，附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质围绕在黑洞周围,形成了一个高速旋转的巨大的吸积盘。在吸积盘内侧靠近黑洞视界的地方，物质掉入黑洞里，伴随着巨大的能量辐射，形成了物质喷流。而强大的磁场又约束着这些物质喷流,使它们只能够沿着磁轴的方向，通常是与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出。如果这些喷流刚好对着观察者，就观测到了类星体，如果观察者观测活动星系核的视角有所不同，活动星系核则分别表现为射电星系、赛弗特星系和蝎虎乱天体。这样一来，类星体的能量疑难初步得到解决。类星体与一般的那些“平静”的星系核不同之处在于，类星体是年轻的、活跃的星系核。由类星体具有较大的红移值，距离很遥远这一事实可以推想，我们所看到的类星体实际上是它们许多年以前的样子，而类星体本身很可能是星系演化早期普遍经历的一个阶段。随着星系核心附近“燃料”逐渐耗尽，类星体将会演化成普通的旋涡星系和椭圆星系。综上所述，我们可以看出，宇宙是神奇的，远远超出我们的想象,我们人类在认识宇宙的道路上仅仅有了个开始，一个接着一个的谜团等着我们去破解，一个接着一个的新见解，