結束了嗎?物理學?

結束了嗎?物理學?

自從進入21世紀以來,充斥在人們耳邊或者眼中的是生物醫療科技、人工智慧、大資料等等或者其他新興領域,眾人嘆,物理學的黃金時代已經過去,在物理學的黃金時代,自牛頓發現三定律至愛因斯坦創立相對論以及眾多物理學家聯合發現的量子力學,物理學一直以一種前瞻性和光輝革命籠罩著世界,基本粒子的發現產生了一系列諾貝爾獎。如今的人們發現物理規律越來越複雜、實驗資料越來越難獲得,物理學的海洋可能已經被人類觸碰至底端,即使在未來的幾十年甚至幾百年如果沒有更加偉大的理論提出的話,物理學真正的任務就只剩下實驗了。

但是實際上,真正的探索才剛剛開始。

結束了嗎?物理學?

就以目前最火熱的量子力學來說,其與相對論的聯立研究促進了霍金等大物理學家對宇宙的深入研究,基於目前已知的宇宙基本組成部分,我們可以製造出無數的物理系統,就以我們目前知道的自然界三態:固體、液體、氣體實際上在物理學中也是不完備的,並且量子力學的“古怪結果”,使得許多潛在的“靈異”稱為可能。

並且物理學還有許多待解決的問題:

關於量子引力、宇宙物理學、廣義相對論的問題

真空災變

從旅行者探測衛星測量到的資料所推斷出的真空能量密度上限為10^14GeV/m,而從量子場論估算出的零點能量密度卻為10^121GeV/m,兩個數值竟然相差了107個數量級。物理史上從未見到這麼大的差距,很多物理學者認為這是當今物理理論的重大瑕疵。

量子引力

結束了嗎?物理學?

如何整合量子力學和廣義相對論成為完整一致的理論(或許是一種嶄新的量子場論)?時空的基本本質是否是連續的,還是離散的?這完整一致的理論是否涉及由一種假定的引力子所傳遞的作用力,還是從時空離散結構衍生的產物(圈量子引力論的理論)?在超小尺度、超大尺度或其它極端案例,廣義相對論的預測與量子引力理論有什麼差異?

黑洞、黑洞資訊、黑洞輻射

理論預期的黑洞熱輻射現象是否屬實?此種輻射是否帶有關於黑洞內部結構的資訊,如同規範-引力二元性(gauge-gravity duality)所建議,還是不然,如同史蒂芬·霍金的原本計算?若為不然,則黑洞能夠蒸發乾淨,注意到量子力學並沒有給出摧毀資訊的機制,那麼,儲存於黑洞的資訊又會怎麼樣?是否黑洞蒸發到某一程度就會自動停止,只剩下殘餘黑洞?根據無毛定理,黑洞只有三種屬性:質量、電荷量、角動量;除此以外,沒有任何內部結構。這定理是否正確?為何尚未找出探勘黑洞內部的方法?

額外維度

大自然是否擁有多於四個時空維度。假若答案為“是”,則到底有多少時空維度?維度是不是宇宙的基本屬性,還是其它物理定律的合理結果?物理實驗能否觀測到更高維度的證據?

關於高能物理學、粒子物理學的問題

希格斯機制

希格斯玻色子的分支比是否符合標準模型?是否只有一種希格斯玻色子?

級列問題(hierarchy problem)

為什麼引力是那麼的微弱?只有當質量在普朗克尺度時,大約為10GeV,超大於電弱尺度(electroweak scale,246GeV,電弱理論描述的物理行為所涉及的能量),引力才會顯得強勁。為什麼這尺度的相差會有如天壤之別?是什麼物理過程使得電弱尺度的物理量,例如希格斯粒子的質量,無法獲得普朗克尺度數量級的量子修正?請問這是因為超對稱、額外維度,還是人擇的精細調節(fine-tuning)?

絕對無法從磁棒製備出磁單極子。假設將磁棒一切為二,則不會發生一半是指北極,另一半是指南極的狀況,而會是切開的每一個部分都有其自己的指北極與指南極。

磁單極子

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在最初宇宙、高能量的時期,粒子有否帶有磁荷?若有,則為何那麼難偵測到它們?有沒有任何磁單極子仍舊存在?(保羅·狄拉克指出,某種磁單極子的存在可以解釋電荷量子化)。

質子衰變與大統一理論

怎樣能夠將量子場論的三種不同的基本相互作用,即強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用,統一成為單獨一種相互作用?至今為止,一些常見的主流大統一模型為SO(10)模型、喬吉-格拉肖模型(Georgi–Glashow model)等等。由於這些模型預測的新粒子的質量為大統一尺度(GUT scale)數量級,大大地超過碰撞實驗的可能範圍,所以,物理學者無法做實驗直接觀測到這些新粒子。因此,物理學者必需使用間接方法,例如,質子衰變實驗、基本粒子電偶極矩實驗、中微子屬性實驗、磁單極子偵測實驗等等。注意到質子為質量最輕的重子,質子是否為絕對的穩定?倘若不是,質子的半衰期為何?日本的超級神岡偵測器並沒有確切地偵測到任何質子衰變事件。從實驗得到的資料,質子的壽命被設定為超過10年。

等等。。。

實際上,不僅僅物理學的探索才剛剛開始,對於所有自然科學來說,大自然只將其能夠讓人們看見的內容展現了出來,還有更多的人們未觀察到的現象等著人們探索,所以不用擔心物理學的研究會停滯不前,只要人們有著耐心,有著信心,有著恆心潛心研究,展望無窮。

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