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DDSSN013-「悬而未决的物理学问题」 精选

已有 19758 次阅读 2015-8-26 15:59 |系统分类:科普集锦|关键词:学者

早在 2012 7 月初,作者 Natalie Wolchover Livescience 上(网址:http://www.livescience.com/34052-unsolved-mysteries-physics.html?adbpr=15428397&adbid=633345100534280192&adbpl=tw),率先指出目前物理学上 9  个亟待厘清的奥秘问题,并以潘朵菈的盒子(Pandora’s Box)形容之。迨至去年四月作者 Waleed Al-Husseini 又在其博文上(网址:http://proud-a.blogspot.com/2014/04/Mysteries.in.Physics.html)转贴了其全文,并附上精美的附图说明。无独有偶,今年初另一作者 Tom Siegfried 也列举了本世纪,10 个有待科学家们予以深入探讨的问题(网址:https://www.sciencenews.org/blog/context/top-10-scientific-mysteries-21st-century),其中有 6 个和前述 9 个「悬而未决的物理学」问题雷同。由于这些课题,也正是我往后博文中拟加以阐述的主题,故在此先做一概述,有关其进一步的详尽细节,容我在往后的博文中,再予以说明。

一、什么是「暗能量(dark energy)」?什么是「暗物质(dark matter)」?

顾名思义,「暗物质」、「暗能量」指的是宇宙间,那些「潜藏」的物质和能量,就如同暗夜里,你看不到的景物。下图所示,即是科学家们相信,就整个宇宙而言,我们可观测到物质的仅占约 0.4% ,而「暗能量」和「暗物质」分别占了约 74%  22%,另外约 3.6% 为银河间的气体(intergalactic gas),也就是说,我们可观察到的宇宙(observable universe),就质量和能量之总量而言,仅占亟小的一部分,实在少的可怜。

「暗物质」不但看不见,也难以侦测得到。但是科学家们能推知它们的存在,主要还是依据它们对可见物质、辐射、甚至整个宇宙结构的引力效应,它们咸被认为主要存在于银河的邻近外围,而且可能是由所谓的「weakly interacting massive particles;简称 WIMP」所组成。目前世界上有许多侦测仪器,正在积极探寻它们的存在,但迄未有所发现。

而「暗能量」存在的推论,主要来自两个方面:其一是,天文物理学家在建构或演绎他们各自的理论模式时,无论如何调整模式里的参数,还是无法得到一个宇宙必须有的质能平衡状态;二是,我们知道「宇宙」迄今一直在持续的加速膨胀,我们也知道「引力」的作用会把宇宙的「时空」,向内拉扯(pulling inward),因此一定有一个我们看不见的动能,它能和「引力」相抗衡,并把时空往外推(pushing apart),这个看不见的动能,即是所谓的「暗能量」。一般咸信,这个「暗能量」其实就是「宇宙常数(cosmological constan)」,它是宇宙本身与生俱有的本质,把宇宙向外推拓,宇宙愈膨胀,空间就愈大,这「暗能量」也跟着变得更大(因为宇宙单位空间内的能量密度是恒定的),也就是利用这宇宙的膨胀速率,科学家们才能估算它占了宇宙总质能的 74%,但迄今科学家们还真不知道,该如何着手来侦测它。

二、为什么有「时间之矢(the arrow of time)」?

一般咸信,宇宙中的「熵(entropy;即俗谓的乱度)」,自其形成迄今,永远随着时间的推移而增加,这个「熵」值由低变高的趋向,就是我们所认知的时间方向(即「时间之矢」)。因此,根本的核心问题是:宇宙在窄始时,具有那么高的能量,而空间又是那么小(即如在「单㸃(singularity)」时),为何「熵」却是处在最低值?

三、真的有「平行宇宙(parallel universe)」吗?

「宇宙是平的(flat)」这个看法,已是理论物理学的定论,意思是说,我们现今观察到的宇宙万物,只是宇宙依水平方向无限延伸的一部分(见下之示意图),但是「量子力学」又告诉我们,在每一个环宇范畴(cosmic patch)里,粒子(particle)只能有有限的排列方式,因此,若宇宙无限延伸出去,就有无限的环宇范畴,而粒子的排列方式,在此无限的范畴中,就变得必须无限地重复呈现,形成许多与我们类似的宇宙(即「平行宇宙」),这可能吗?

四、为什么宇宙中的「物质(matter)」较「反物质(antimatter)」为多?

「反-物质」指的是那些和一般「物质」,具有相反荷电(oppositely-charged)和旋转方向(oppositely-spinning)的孪生物质。一般假定,宇宙肇始时,这两者(「物质」和「反物质」)应该同时形成,而且在往后的宇宙演化史中,也应被所有自然律同等看待,但实际上却非如此,宇宙中的「物质」较「反物质」多得多了,科学家们迄今还没找到一个合理的解释。

五、宇宙的最终命运为何?

宇宙的最终命运取决于其质量和能量的密度分布(the density of matter and energy throughoutthe cosmos;一般以 表之),此  值依宇宙是否为一密闭(closed)、开放(open)或平面(flat)的时空形貎,可以有大于、小于或等于 1 三种不同的数值,而不同的数值又隠示着宇宙未来不同的宿命,但到底其最终的宿命为何,科学家们迄今尚未能有一致的看法。

六、「弦论(string theory)」对吗?

「弦论」认为自然界中的基本粒子(参见前文DDSSN011-「奚氏玻子(Higgs Boson)(I)」),是由次原子大小的一维环状物(loop)组成,此环状物称之为「弦(string;见下之示意图;creditBrianGreene)」,因为它们类似乐器上的弦般,以不同的弹拨方式,奏出不同的音符或音阶,以上这些「弦」,即是以不同的振动方式,决定了各个不同粒子的本质和特性。这「弦论」主要是希望能将小尺度的「量子理论」和大尺度的「相对论」融合在一起,共同来解释宇宙万物的一种理论。问题是该理论仅能在「十维的空间加上一维时间」的时空里才可行,目前来说,科学家们还无法找到,一个有效的实验方法去证实「弦」的存在(其大小只有原子大小的10-21),也因此难以证实该学说是否为真。

另外,该文作者也提到两个目前也是无解的问题:(1)宇宙在混沌中是否有序?以及(2)为何在测量次原子粒子(如位置、速率等等)时,原本描述其性质的「量子波浪函数方程式(quantum wave functions)」会骤然无效(collapse)?(见下之示意图),有兴趣的读者,可参阅该文及其他相关论著。





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