讓物理學(xué)家頭疼的五件事

赤緯

物理理論的研究過(guò)程通常是這樣的：經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，一個(gè)物理理論終于成形了，它可以很完美地解釋現(xiàn)實(shí)，然后，它卻預(yù)測(cè)出了沒(méi)人想要的東西。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論就是一個(gè)典型的例子。它是我們目前最好的引力理論，但是它卻預(yù)測(cè)出了黑洞的存在——一個(gè)引力極強(qiáng)的時(shí)空區(qū)域，任何物質(zhì)包括光都無(wú)法從中逃離出來(lái)。即使到了現(xiàn)在，物理學(xué)家都還在為黑洞這個(gè)概念感到頭疼，因?yàn)殛P(guān)于它，有太多棘手的問(wèn)題等待解決。而黑洞并不是唯一能讓物理學(xué)家感到頭疼的概念，下面我們就再舉5個(gè)類似這樣的例子。

量子的多重性

現(xiàn)實(shí)似乎非常確定，對(duì)吧？你在這里，足球在那里，你把足球踢飛，它最終會(huì)落到不遠(yuǎn)處，這都看起來(lái)很正常。但在量子力學(xué)那里，所描述的畫(huà)面將會(huì)是完全不同的。

量子力學(xué)認(rèn)為，事物在我們測(cè)量之前的狀態(tài)是不確定的，它會(huì)同時(shí)處于多種狀態(tài)之中，直到測(cè)量時(shí)，它的狀態(tài)才被唯一地確定下來(lái)。例如，一件東西可以同時(shí)位于不同的地方，只有當(dāng)我們測(cè)量到它時(shí)，它才會(huì)最終停留在某一個(gè)地方。就像那只足球，如果我們沒(méi)有檢測(cè)到它時(shí)，那么它可以同時(shí)處于各個(gè)位置上，只有當(dāng)我們檢測(cè)到它時(shí)，它才可能確定在操場(chǎng)某處。

愛(ài)因斯坦有點(diǎn)不信這一套，他在一次散步中，曾向他旁邊的學(xué)生提問(wèn)題，“你是否相信，月亮只有在看著它的時(shí)候才真正存在？”愛(ài)因斯坦認(rèn)為，事物在測(cè)量之前應(yīng)該也是確定的，而量子力學(xué)的解釋恐怕不正確。但是，許多物理學(xué)同行并不這么認(rèn)為，畢竟量子力學(xué)是有史以來(lái)最成功的科學(xué)理論，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果極為相符。對(duì)此，美國(guó)物理學(xué)家戴維·慕爾明總結(jié)了大多數(shù)人的感受。他說(shuō)：“閉上嘴，去計(jì)算！”意思是，像愛(ài)因斯坦提出這類問(wèn)題沒(méi)必要討論，只要量子力學(xué)管用就行了。

為了理解量子力學(xué)這種看似荒謬的推論，物理學(xué)家還提出了很多不同的詮釋。一個(gè)很出名的詮釋叫做多世界詮釋，它認(rèn)為在測(cè)量之后，每個(gè)之前曾存在的量子狀態(tài)都會(huì)繼續(xù)存在下去，只不過(guò)它們處于平行世界中，我們只是看不見(jiàn)它們而已。還是用那只足球來(lái)比喻，當(dāng)我們看到它時(shí)，它雖然確定在操場(chǎng)上，但也可能在別處，只是在別處的那只足球在與我們世界相平行的另一個(gè)世界里。

時(shí)間

關(guān)于時(shí)間，出問(wèn)題的地方不是來(lái)自于物理學(xué)，而是來(lái)自于你。你可能會(huì)相信，時(shí)間正不斷地從過(guò)去流向未來(lái)，但這其實(shí)是你的大腦產(chǎn)生的錯(cuò)覺(jué)。自從20世紀(jì)初愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論以來(lái)，物理學(xué)中的時(shí)間概念已經(jīng)被表達(dá)得很清楚了：時(shí)間并不流逝，客觀的過(guò)去和客觀的未來(lái)也都不存在。

除了這個(gè)矛盾以外，相對(duì)論和量子力學(xué)對(duì)描述時(shí)間的方式也不相同。相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)間與空間緊密相連，它們都是相對(duì)的概念。比如物體運(yùn)動(dòng)得越快，時(shí)間流逝得越慢。但量子力學(xué)卻又回到經(jīng)典的框架下，認(rèn)為存在一個(gè)絕對(duì)的時(shí)間。

如何解決這些矛盾呢？大多數(shù)物理學(xué)家的回復(fù)可能仍是：“閉上嘴，去計(jì)算！”然而，一些物理學(xué)家仍在想辦法去解決這些時(shí)間問(wèn)題。其中一個(gè)觀點(diǎn)認(rèn)為，我們只需要對(duì)過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)給出一個(gè)更好的物理定義，那么許多問(wèn)題就有可能得到解決了。這個(gè)觀點(diǎn)是否正確呢？只有時(shí)間才能告訴我們答案。

宇宙常數(shù)

入圍，出局，再入圍，再出局……宇宙常數(shù)的歷史就是這么折騰。

愛(ài)因斯坦曾把它加入到他的廣義相對(duì)論方程中，來(lái)穩(wěn)定宇宙，并確保它在自身的引力下不會(huì)膨脹也不收縮。然后，在20世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德文·哈勃和其他人發(fā)現(xiàn)宇宙實(shí)際上正在膨脹，這促使愛(ài)因斯坦拋棄了宇宙常數(shù)這個(gè)概念，并認(rèn)為這是他一生中“最大的錯(cuò)誤”。

然而在20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙實(shí)際上正在加速膨脹，而導(dǎo)致加速膨脹的背后力量被稱之為“暗能量”。物理學(xué)家又把宇宙常數(shù)引入進(jìn)來(lái)，認(rèn)為暗能量就是一種宇宙常數(shù)，它能起到與引力相反的作用，能把宇宙中各個(gè)事物推開(kāi)。

唯一的問(wèn)題是，20多年過(guò)去了，人們還沒(méi)有搞清楚宇宙常數(shù)（暗能量）的來(lái)源。當(dāng)前最好的猜想是，宇宙常數(shù)是一種真空能，是真空中無(wú)數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)瞬即逝的虛粒子貢獻(xiàn)出的能量。不過(guò)，物理學(xué)家根據(jù)量子理論推導(dǎo)出的真空能密度，約為1094g/cm3。但是，他們根據(jù)對(duì)宇宙膨脹情況的觀測(cè)，得出的結(jié)果卻只有10-29g/cm3。也就是說(shuō)，宇宙常數(shù)的理論值竟然是觀測(cè)值的10123倍。物理學(xué)家到現(xiàn)在也沒(méi)搞清楚這么大的差距是怎么來(lái)的。

無(wú)窮

數(shù)學(xué)家相信無(wú)窮的存在，他們還認(rèn)為，不僅存在無(wú)窮，而且還存在很多種無(wú)窮。事實(shí)上，無(wú)窮常常能大幅度簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)的計(jì)算過(guò)程，數(shù)學(xué)家還經(jīng)常發(fā)明出全新種類的無(wú)窮概念，來(lái)堵住他們?cè)谘芯繒r(shí)遇到的邏輯漏洞。

但對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，無(wú)窮無(wú)疑是一種痛苦。無(wú)窮令人難以駕馭，只要它在一個(gè)物理理論中出現(xiàn)，它就傾向于毀掉這個(gè)物理理論。例如，物理學(xué)家曾試圖把電磁力和弱核力統(tǒng)一起來(lái)，但是他們的公式中老是出現(xiàn)無(wú)窮大的結(jié)果，使得計(jì)算無(wú)法進(jìn)行下去。物理學(xué)家最終花了幾十年才找到正確的數(shù)學(xué)方法，解決了該問(wèn)題。而現(xiàn)在，黑洞、大爆炸之前的宇宙都存在密度無(wú)窮大的“奇點(diǎn)”，這些無(wú)窮仍在阻礙了引力理論與量子理論的統(tǒng)一。

一些物理學(xué)家已經(jīng)受夠無(wú)窮了。他們認(rèn)為，宇宙可能不存在真正的無(wú)窮，那些被認(rèn)為是無(wú)窮的東西，可能近似無(wú)窮而已。麻煩的是，完全沒(méi)了無(wú)窮的概念，數(shù)學(xué)很難計(jì)算下去。

宇宙的熱寂

宇宙的末日是什么樣的？一些人認(rèn)為，宇宙可能會(huì)在一場(chǎng)巨大的天文學(xué)暴力事件中結(jié)束。但是，許多物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙更可能會(huì)在漫長(zhǎng)的時(shí)間里逐步地走向它的終點(diǎn)。

要怪就怪熱力學(xué)第二定律。這個(gè)定律認(rèn)為，宇宙的熵（表示混亂程度的物理量）會(huì)隨著時(shí)間的流逝而增加，從有序走向無(wú)序。當(dāng)熵達(dá)到最大值時(shí)，宇宙中所有可以被利用的能量都變?yōu)榱藷o(wú)法利用的熱能，宇宙各處都達(dá)到了熱平衡。這種狀態(tài)稱為熱寂。此時(shí)，宇宙各個(gè)天體都不復(fù)存在，一切都一樣，沒(méi)有任何變化發(fā)生。再加上暗能量使得宇宙膨脹得越來(lái)越快，最終宇宙會(huì)變得空曠、黑暗且寒冷。

我們當(dāng)然不會(huì)在這里看到這一切，因?yàn)樵缭谟钪孢_(dá)到熱寂之前，變?yōu)榧t巨星的太陽(yáng)就已經(jīng)把我們的地球烤化掉了。

但是，熱寂這種結(jié)局不僅令人沮喪，走向結(jié)局的過(guò)程也比較乏味。于是，物理學(xué)家開(kāi)始去考慮一些其他的可能，雖然結(jié)局仍令人沮喪，但其過(guò)程至少是驚心動(dòng)魄的。其他的可能包括了大撕裂（宇宙在更強(qiáng)大的暗能量下被完全撕裂），以及大坍縮（宇宙萬(wàn)物反過(guò)來(lái)坍縮在一起）。

當(dāng)然最有趣的一個(gè)可能是大崩潰——量子漲落導(dǎo)致宇宙某個(gè)區(qū)域變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致所有原子無(wú)法穩(wěn)定存在下去，物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生崩潰，并且從那里以光速向宇宙四周擴(kuò)張。與其他的可能不同的是，我們不會(huì)提前知道何時(shí)會(huì)發(fā)生大崩潰。