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世界性物理難題摘要1自然界是否存在五種以上的基本作用力？ 2基本物理常數(shù)的數(shù)值會隨時間改變嗎？ 3自然界的基本常數(shù)為什么具有現(xiàn)在的數(shù)值？ 4引力能否被屏蔽？ 5負引力存在嗎？ 6宇宙中不斷有物質(zhì)創(chuàng)生嗎？ 7引力子，你在何方？ 8新以太是否存在？ 9為什么時間具有方向性？ 10宇宙時是不均勻時間流嗎？ 11為什么物理學(xué)的基本方程都具有時間反演不變性？ 12為什么絕對零度不可達到？ 13為什么熱水比冷水凍結(jié)快些（Erasto Mpemba問題）？ 14運動物體的溫度會改變嗎？ 15開放系統(tǒng)的熵具有什么物理意義？ 16湍流形成的機理是什么？ 17地球磁場極性顛倒的原因是什么？ 18南極空洞是怎么形成的？ 19生物體內(nèi)有核反應(yīng)嗎？ 20地球外有智慧生物嗎？ 21地震前的地光是怎么形成的？ 22為什么閃電多之字形少球形？ 23自然界是否存在七種對稱性晶體？ 24能否解決強關(guān)聯(lián)多電子系統(tǒng)的基態(tài)和元激發(fā)問題？ 25能否解決低維凝聚態(tài)物理新現(xiàn)象的理論問題？ 26何時能揭開狄拉克的大數(shù)之謎？ 27可觀測宇宙的空間有多大？ 28宇宙中的暗物質(zhì)是由什么粒子構(gòu)成的？ 29為什么宇宙中反物質(zhì)如此少？ 30反物質(zhì)世界存在嗎？ 31反物質(zhì)能源能否實現(xiàn)？ 32可控輕核聚變能否實現(xiàn)？ 33激光熱核反應(yīng)的點火條件（勞森判據(jù)）能否達到？ 34常溫核聚變能否實現(xiàn)？ 35冷核聚變能否實現(xiàn)？ 36薛定諤的貓是死還是活？ 37EPR之謎能否解決？ 38量子混沌確實存在嗎？ 39高溫超導(dǎo)的微觀機理是什么？ 40可否發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體？ 41最后一個超重元素的質(zhì)子數(shù)是多少？ 42熱中子輻射俘獲疑問的實質(zhì)是什么？ 43原子核磁矩能否準確計算出來？ 44Gamow-Teller巨共振問題gA（核內(nèi)核子）!=gA（自由核子）能否解決？ 45奇異電子峰是怎樣形成的？ 46EMC效應(yīng)能否解決？ 47質(zhì)子自旋危機能否解決？ 48電子與核散射中，縱向響應(yīng)形狀因子問題能否解決？ 49有限核的結(jié)合能與能極能否一一準確算出來？ 50夸克膠子等離子體（QGP）物質(zhì)態(tài)是否真的存在？ 51雙生子佯謬能否解決？ 52穿洞佯謬能否解決？ 53滑落佯謬能否解決？ 54柔繩佯謬能否解決？ 55直角杠桿佯謬能否解決？ 56靜止長度上限佯謬能否解決？ 57運動物體視在形象佯謬能否解決？ 58長度縮短的應(yīng)力效應(yīng)佯謬能否解決？ 59超光速佯謬能否解決？ 60快子佯謬能否解決？ 61奧本海默佯謬能否解決？ 62奧伯斯佯謬能否解決？ 63宇宙種子磁場的來歷是什么？ 64太陽中微子之謎能否解決？ 65中微子有無靜止質(zhì)量？ 66有無中微子振蕩？ 67類星體的能源是什么？ 68黑洞何時可以露真容？ 69磁單極是否存在？ 70Higgs粒子是否存在？ 71質(zhì)量的起源是什么？ 72真正的對稱自發(fā)破損的機理是什么？ 73自由夸克能否直接在實驗中被發(fā)現(xiàn)？ 74有無膠子球存在？ 75軸子，疇壁能否找到？ 76存在第四代基本粒子嗎？ 77CP不守恒難題只能在中性K介子衰變中見到嗎？ 78引起CP對稱性破壞的力是什么？ 79e-u-t之謎何時能解開？ 80亞夸克結(jié)構(gòu)僅僅是推測嗎？ 81質(zhì)子的壽命有多長？ 82電子有無結(jié)構(gòu)？ 83光子有無結(jié)構(gòu)？ 84真空的本質(zhì)是什么？ 85有無奇異物質(zhì)存在？ 86C，物理中的疑難能否解決？ 87是否存在中性，穩(wěn)性，質(zhì)量至少大于40GeV的超對稱粒子？ 88究竟有無超弦？ 89蟲洞究竟有沒有？ 90時間機器能造出來嗎？ 91引力能否用量子理論加以描述？ 92能否將引力和其他幾種基本力統(tǒng)一起來？ 93自然界手征不對稱起源的關(guān)鍵是什么？ 94宇宙會一直膨脹下去嗎？ 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我們的宇宙是否有兄弟姐妹？ 物理學(xué)前沿八大難題概述：難題一：什么是暗物質(zhì)難題二：什么是暗能量難題三：從鐵到鈾的重元素如何形成難題四：中微子有質(zhì)量嗎難題五：超高能粒子從哪里來難題六：超高溫度和密度之下是否有新的物質(zhì)形態(tài)難題七：光子是不穩(wěn)定的嗎難題八：有幾維空間 具體介紹：難題一：什么是暗物質(zhì) 我們能找到的普通物質(zhì)僅占整個宇宙的4。各種測算方法都證實，宇宙的大部分是不可見的。 最有可能的暗物質(zhì)成分是中微子或其他兩種粒子： neutralino和axions（軸子），但這僅是物理學(xué)的理論推測，并未探測到。據(jù)認為，這三種粒子都不帶電，因此無法吸收或反射光，但其性質(zhì)穩(wěn)定，所以能從創(chuàng)世大爆炸后的最初階段幸存下來。難題二：什么是暗能量 宇宙學(xué)最近的兩個發(fā)現(xiàn)證實，普通物質(zhì)和暗物質(zhì)還不足以解釋宇宙的結(jié)構(gòu)。還有第三種成分，它不是物質(zhì)而是某種形式的暗能量。 這種神秘成分存在的一個證據(jù)，來源于對宇宙構(gòu)造的測量。愛因斯坦認為，所有物質(zhì)都會改變它周圍時空的形狀。因此，宇宙的總體形狀由其中的總質(zhì)量和能量決定。最近對大爆炸剩余能量的研究顯示，宇宙有著最為簡單的形狀是扁平的。這也反過來揭示了宇宙的總質(zhì)量密度。但天文學(xué)家在將所有暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的可能來源加起來之后發(fā)現(xiàn)，宇宙的質(zhì)量密度仍少了23。難題三：從鐵到鈾的重元素如何形成 暗物質(zhì)和可能的暗能量都生成于宇宙初始時期氫、鋰等輕元素形成的時候。較重的元素后來形成于星體內(nèi)部，核反應(yīng)使質(zhì)子和中子結(jié)合生成新的原子核。比如說，四個氫核通過一系列反應(yīng)聚變成一個氫核。這就是太陽發(fā)生的情況，它提供了地球需要的熱量。 當核聚變產(chǎn)生比鐵重的元素時，就需要大量的中子。因此，天文學(xué)家認為，較重的原子形成于超新星爆炸過程中，其中有大量現(xiàn)成的中子，盡管其成因還不清楚。最近，一些科學(xué)家已確定，至少一些最重的元素，如金、鉛等，是形成于更強的爆炸中，當兩顆中子星微型的、燃燒后的星球遺骸相撞塌陷成為黑洞時。難題四：中微子有質(zhì)量嗎 不久前，物理學(xué)家還認為中微子沒有質(zhì)量，但最近的進展表明，這些粒子可能也有些許質(zhì)量。任何這方面的證據(jù)也可以作為理論依據(jù)，找出4種自然力量中的3種電磁、強力和弱力的共性。即使很小的重量也可以疊加，因為大爆炸留下了大量的中微子。難題五：超高能粒子從哪里來 太空中能量最大的粒子，其中包括中微子、Y射線光子和其他各種形式的亞原子榴征彈都稱作字宙射線。它們無時無刻不在射向地球；當你讀這篇文章的時候，可能正有幾個穿過你的身體。宇宙射線的能量如此之大，以至于它們必須是在大災(zāi)變造成的宇宙加速活動中產(chǎn)生?？茖W(xué)家估計的來源是：創(chuàng)世大爆炸本身、超新星撞成黑洞產(chǎn)生的沖擊波，以及被吸人星系中央巨大黑洞時的加速物質(zhì)。了解這些粒子的來源以及它們?nèi)绾蔚玫饺绱司薮蟮哪芰浚瑢⒂兄谘芯窟@些物體的活動情況。 難題六：超高溫度和密度之下是否有新的物質(zhì)形態(tài) 在能量極大的情況下，物質(zhì)經(jīng)歷一系列的變化，原子分裂成其最小的組成部分。這些部分就是基本的粒子，即夸克和輕子，據(jù)目前所知它們不能再分成更小的部分。夸克性質(zhì)極其活躍，在自然狀態(tài)下無法單獨存在。它們會與其他夸克組成光子和中子，兩者再與輕子結(jié)合形成整個原子。 這都是現(xiàn)有科學(xué)可以推測的，但當溫度和密度上升到地球上的幾十億倍時，原子的基本成分有可能會完全分離開來。形成夸克等離子體和將夸克聚合在一起的能量。物理學(xué)家正嘗試在長島的一臺粒子對撞機中創(chuàng)造物質(zhì)的這種形態(tài)，即一種夸克一膠子等離子體。在遠遠超過這些科學(xué)家在實驗室中所能創(chuàng)造出的更高溫度和壓力之下，等離子體可能變成一種新的物質(zhì)或能量形式。這種階段性變化可能揭示自然界的新力量。 要使這些力量結(jié)合起來，就必須要有一種新的超大粒子規(guī)范玻色子，如果它存在的話，就可以使夸克轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌Ｗ?，從而使每個原子中心的光子衰變。假如物理學(xué)家證明光子能夠衰變，那么這一發(fā)現(xiàn)就會證明有新力量的存在。 難題七：光子是不穩(wěn)定的嗎 如果你擔心組成你的光子會分解蛻變，將你變成一堆基本粒子和自由能量，那大可不必為此著急。各種觀察和試驗表明，光子的穩(wěn)定時間至少在10的33次方年。然而，許多物理學(xué)家認為，如果這三種原子力確實是單個統(tǒng)一場的不同表現(xiàn)形式，前文所說的神秘變化的超大玻色子就會不時從夸克中演化出來，使夸克及其組成的光子衰退。 如果一開始你認為這些物理學(xué)家腦子出了毛病，那也是情有可原的，因為按理說微小的夸克不可能生成比它重這么巨大倍數(shù)的玻色子。但根據(jù)海森伯的測不準原理，我們不可能同時知道一個粒子的動量和位置，這就間接使這樣一個大膽命題可以成立。因此，一個巨大的玻色子在一個夸克中生成，在很短時間內(nèi)形成一個光子并使光子衰變是可能的。 難題八：有幾維空間 對重力真正性質(zhì)的研究也會帶來這樣的疑問：空間是否不僅僅限于我們能輕易觀察到的四維。這就將我們引向了一些線性理論學(xué)家對重力的解釋，其中就包括其他維的空間。開始的宇宙線性理論模型將重力和其他三種力在復(fù)雜的11維宇宙中結(jié)合起來。在那個字宙也就是我們宇宙中其中的7維隱藏在超乎想像的微小空間中，以至于我們無法覺察到。弄懂這些多維空間的一個辦法是，想像一個蛛網(wǎng)的一根絲。用肉眼來看，這根細絲只是一維的，但在高倍放大鏡下，它就分解成了一個有相當寬度、廣度和深度的物體。線性理論學(xué)家說，我們之所以看不見其他維的空間，只是因為缺少能將它們分解的精密儀器。100年前，德因數(shù)學(xué)家戴維希爾伯特在巴黎的國際數(shù)學(xué)家大會上以一番發(fā)人深省的 話語開始了他劃時代的講話。他在講話中羅列了當時尚未解決的23個重大難題。希爾伯特宣稱：“個偉大時代的結(jié)束，不僅要求我們回首過去，而且還引導(dǎo)我們回首對未知的將 來進行深思?！彪S著又一個世紀實際上是整整一個千年紀元的結(jié)束，有一種要求 顯得比以往任何時候更為緊迫，那就是通過羅列最引人入勝的宇宙之謎來顯示人類的無知 。 今年5月，馬薩諸塞州劍橋的克萊數(shù)學(xué)學(xué)會仿效希爾伯特，在巴黎宣布了7道“千年大獎難題”，每道題懸賞100萬美元征求解答。 無獨有偶，上月，存圣巴巴拉加州大學(xué)，物理學(xué)家們像通常那樣不事張揚地結(jié)束了一 次有關(guān)超弦理論的會議。他們的最后一次討論題為“干年瘋狂”，議程是挑選出他們領(lǐng)域 中10個最匪夷所思的問題。這就像是一場由科學(xué)界最聰明的一批人參加的荒島游戲。 圣巴巴拉加州大學(xué)的理論物理學(xué)家戴維格羅斯在公布選出的問題時說：“我是這樣 考慮的：如果我從現(xiàn)在起昏迷100年，當我醒來時，我會問什么問題。” 在剔除一些大法問答的問題(例如“怎樣獲得終身職位?”)后，評委們列出了足夠讓 物理學(xué)家忙上100年的難題。盡管沒有任何懸賞，不過，解決下列問題中的任何一個差不 多都能保證獲得諾貝爾獎。 1表達物理世界特征的所有(可測量的)無量綱參數(shù)原則上是否都可以推算，或者是否存在一些僅僅取決于歷吏或量子力學(xué)偶發(fā)事件，因而也是無法推算的參數(shù)?愛因斯坦的表述更為清楚：上帝在創(chuàng)造宇宙時是否有選擇?想象上帝坐在控制臺前，準備引發(fā)宇宙大爆炸。“我該把光速定在多少?”“我該讓這種名 叫電子的小點帶多少電荷?”“我該把普朗克常數(shù)即決定量子大小的參數(shù)的數(shù)值定在多大?”他是不是為了趕時間而胡亂抓來幾個數(shù)字?抑或這些數(shù)值必須如此，因為其中深藏著某種邏輯? 2量子引力如何幫助解釋宇宙起源? 現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論是標準模型和廣義相對論。前者利用量子力學(xué)來描述亞原子粒子以及它們所服從的作用力，而后者是有關(guān)引力的理淪。很久以來，物理學(xué)家希望合二為一，得到一種“萬物至理”即量子引力論，以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何隨著大爆炸自然地誕生的。實現(xiàn)這種融合的首要候選理論是超弦理論，或者叫 M理論 這是其名稱的最新“升級版”，M代表“魔法”( magic)、“神秘”( mystery)或“所有理論之母”( mother of alltheories)。 3質(zhì)子的壽命有多長，如何來理解? 以前人們認為質(zhì)子與中子不同，它永遠不會分裂成更小的顆粒。這曾被當成真理。然而在70年代，理論物理學(xué)家認識到，他們提出的各種可能成為“大一統(tǒng)理論”該理論把除引力外的所有作用力匯于一爐的理論暗示：質(zhì)子必須是不穩(wěn)定的。只要有足夠長的時間，在極其偶然的情況下，質(zhì)子是會分裂的。辦法是捕捉到正在死去的質(zhì)子。許多年來，實驗人員一直在地下實驗空中密切注視大型的水槽，等待著原子內(nèi)部質(zhì)子的死去。但迄今未止質(zhì)子的死亡率是零，這意味著要么質(zhì)子十分穩(wěn)定，要么它們的壽命很長估計在10億億億億年以上。 4自然界是超對稱的嗎？如果是，超對稱性是如何破滅的? 許多物理學(xué)家認為，把包括引力在內(nèi)的所有作用力統(tǒng)一成為單一的理論要求證明兩種差異極大的粒子實際上存在密切的關(guān)系，這種關(guān)系就是所謂的超對稱現(xiàn)象。第一種粒子是費密子，可以把它們粗略地說成是物質(zhì)的基本組件，就像質(zhì)子、電子和中子一樣。它們聚集在一起組成物質(zhì)。另一種粒子是玻色子，它們是傳遞作用力的粒子，類似于傳遞光的光子。在超對稱的條件下，每一個費密子都有一個與之對應(yīng)的玻色子，反之亦然。 物理學(xué)家有杜撰古怪名字的沖動，他們把所謂的超級對稱粒子稱為“Sparticle”。但由于在自然界 中還沒有觀察到5particle，物理學(xué)家還需要解釋這種對稱性“破滅”的原因：隨著宇宙冷卻并凝結(jié)成現(xiàn)在的這種不對稱狀態(tài)，在其誕生之際所存在的數(shù)學(xué)上的完美被打破了。 5為什么宇宙表現(xiàn)為一個時間維數(shù)和三個空間維數(shù)? 這只是因為還沒有想到一個可以接受的答案，只是因為除了上下、左右、前后，人們無法想像在更多的方向 上運動。這并不意味著宇宙原本就是這樣的。實際上，根據(jù)超弦理論，肯定還存存著另外六個維數(shù)，每一維都呈卷曲狀，十分微小，因而無法察覺。如果這一理論是正確的，那么為什么只有這三個維數(shù)是伸展開來的，留給我們這個相對幽閉恐怖的空間呢? 6為什么宇宙常數(shù)有它自身的數(shù)值?它是否為零，是否真正恒定? 直到最近，宇宙學(xué)家仍然認為宇宙是以一個穩(wěn)定的速度在膨脹。但最近的觀察發(fā)現(xiàn)，宇宙可能膨脹得越來越快。人們用一個叫宇宙常數(shù)的數(shù)字來描述這種輕微的加速。這個常數(shù)是否如人們早期所認為的是零，或者是一個非常小的數(shù)值，物理學(xué)家現(xiàn)在還無法做出解釋。根據(jù)一些基本計算，這個常數(shù) 應(yīng)該很大是我們觀測結(jié)果的大約10到122倍。換句話說，宇宙應(yīng)該以跳躍般的速度在膨脹。而實際情況并非如此，肯定有什么機制在壓制這種作用。如果宇宙真是超對稱性的，那宇宙常數(shù)就該被完全抵消掉。但這種對稱性如果確實存在的話看來已經(jīng)破滅。如果這個常數(shù)隨時間的變化而變化的話，那情況就更加復(fù)雜了。 7M理論的基本自由度( M理論的低能極限是 ll維的超引力，它包含5種相容的超弦理論)是多少?這一理論是否真實地描述了自然? 多年來，超弦理論最大的弱點是它有5個不同的版本。到底哪一個如果有的話描述了宇宙?反對這一理論的人最近已經(jīng)接受了被稱為 M理論的最主要的 l l維理論框架。但情況卻因此變得更加復(fù)雜。在 M里論前，所有的亞原子粒子都被說成是由微小的超弦組成的。M理論給組成亞原子的物質(zhì)增加了一種叫做“膜”(brane)的更為神秘的物質(zhì)，它就像生理學(xué)上的膜一樣，但最多有9個維數(shù)度?，F(xiàn)在的問題是，什么是更基本的物質(zhì)組成單位，是膜組成了弦還是剛好相反?或者另外存在著一些更基本的物質(zhì)單位，只是人們沒有想到罷了?最后，這兩種東西中是否有一種確實存在，或者 M理論僅僅是一種迷人的大腦游戲? 8，黑洞信息悖論的解決方法是什么? 根據(jù)量子理論，信息無淪它描述的是粒子運動的速度還是油墨顆粒組成文件的確切方式是不會從宇宙中消失的。但物理學(xué)家基普索恩、約翰普雷希爾和斯蒂芬霍金卻提出了一個固定的假設(shè)：如果你把一本大不列顛百科全書扔進黑洞中去，將會發(fā)生什么事?宇宙中是否有其他同樣的百科全書是無關(guān)緊要的。正如物理學(xué)中所定義的，信息并不等同于含義，信息僅指二進制的數(shù)