理论物理学中的五大问题

理论物理学家李·斯莫林(Lee Smolin),在他2006年颇有争议的著作《物理学的麻烦:弦论的兴起,科学的衰落以及下一步》中指出“理论物理学中的五个大问题”。

量子引力问题:将广义相对论和量子理论结合成一个可以声称是自然的完整理论的单一理论。

量子力学的基本问题:解决量子力学基础中的问题,方法是通过理解现有的理论或发明一种有意义的新理论。

粒子和力的统一:确定各种粒子和力是否可以在将它们全部解释为单个基本实体的表现的理论中统一。

微调问题:解释自然界中如何选择粒子物理学标准模型中的自由常数。

宇宙奥秘的问题:解释暗物质和暗能量。或者,如果它们不存在,就要确定引力在大尺度上是如何和为什么被改变的。更笼统地说,解释为什么宇宙学标准模型的常数(包括暗能量)具有它们所具有的值。

物理问题1:量子引力问题

量子引力是理论物理学的努力,旨在创建一个包括广义相对论和粒子物理学标准模型的理论。当前,这两种理论描述了不同的自然尺度,并试图探索它们重叠的尺度,这些结果并不十分有意义,例如引力(或时空曲率)变得无限大。(毕竟,物理学家从来没有看到自然界中真正的无限,也不想!)

物理问题2:量子力学的基本问题

理解量子物理学的一个问题是所涉及的潜在物理机制是什么。量子物理学中有很多解释,如经典的哥本哈根解释,休·埃弗雷特二世的有争议的“多世界的解释”,以及更具争议性的解释,例如“参与性人类原理”。这些解释中出现的问题围绕着实际上导致量子波函数崩溃的原因。

大多数从事量子场理论研究的现代物理学家不再认为这些解释问题是相关的。对许多人来说,退相干的原理就是解释——与环境的相互作用导致量子崩塌。更重要的是,物理学家能够解方程、做实验和实践物理,而不需要解决基本面上到底发生了什么的问题。

物理问题3:粒子和力的统一

物理学有四个基本力,而粒子物理学的标准模型仅包含其中三个(电磁,强核力和弱核力)。引力未包含在标准模型中。试图创建一种将这四个力统一为统一场论的理论是理论物理学的主要目标。

由于粒子物理学的标准模型是量子场论,因此任何统一都必须包括引力作为量子场论,这意味着解决问题3与解决问题1有关。

另外,粒子物理学的标准模型显示了许多不同的粒子——总共18个基本粒子。许多物理学家认为,自然的基本理论应具有统一这些粒子的某种方法,因此可以用更基本的术语来描述它们。例如,弦理论是这些方法中定义最明确的一种,它预测所有粒子都是基本的能量线或弦的不同振动模式。

物理问题4:宇宙微调问题

理论物理模型是一个数学框架,为了进行预测,需要设置某些参数。在粒子物理学的标准模型中,参数由理论预测的18个粒子表示,这意味着参数是通过观察来测量的。

但是,一些物理学家认为,该理论的基本物理原理应独立于测量而确定这些参数。这激发了过去人们对统一场论的极大热情,并引发了爱因斯坦的著名问题:“上帝创造宇宙时,他有什么选择吗?”宇宙的属性是否会固有地设置宇宙的形式,因为如果表单的形式不同,这些属性就不会起作用?

对此的答案似乎强烈地倾向于这样一个想法,即不仅可以创建一个宇宙,而且存在各种各样的基础理论(或同一理论的不同变体,基于不同的物理参数,原始的能量状态等),而我们的宇宙只是这些可能的宇宙之一。

在这种情况下,问题就变成了为什么我们的宇宙具有如此精细的属性以允许存在生命。这个问题称为微调问题,它促使一些物理学家转向人为原理进行解释,该解释表明我们的宇宙具有它所具有的性质,因为如果它具有不同的性质,我们就不会在这里问这个问题。

物理问题5:宇宙学谜题

宇宙仍然有许多谜团,但是大多数烦恼物理学家都是暗物质和暗能量。这种物质和能量是通过其引力影响来检测的,但无法直接观察到,因此物理学家仍在努力弄清楚它们是什么。尽管如此,一些物理学家已经提出了关于这些引力影响的替代解释,它们不需要新形式的物质和能量,但是这些替代对于大多数物理学家来说并不受欢迎。

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