理论物理中的五个重大问题

原作者：Andrew Zimmerman Jones  译者： Maximilian.M

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理论物理中的五个重大问题

Andrew Zimmerman Jones , About.com

理论 物理 学家Lee Smolin【1】在他那本2006年出版的充满争议的书《 物理 学面临的问题：弦理论的崛起，科学的没落，那么下一步是什么 》（ The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next ）中指出了“理论物理中的五个重大问题”。

1. 量子引力 的问题：将广义相对论和量子理论相结合，形成的单一理论可以自称为自然界的完整理论。

2.量子力学的基本问题：解决量子力学的基本问题有两种可能，或者在现有的理论基础上继续发展，或者创立一个新的理论。

3.粒子和作用力的统一：确定各种粒子和作用力是否是单一基本实体的不同表现形式，并且可以用一个统一的理论来解释它们。

4.微调问题【2】：解释为何粒子 物理 标准模型中自然界的自由常数（宇宙常数）会被选为特定的值。

5.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，那么应该确定引力在大尺度下应该如何修正，为什么修正。更一般地，解释为何标准模型中的宇宙常数，还有暗能量有其特定的值。

问题1： 量子引力 的问题

量子引力 是理论 物理 界正在努力建立的一个理论，它包括了 广义相对论 和粒子 物理 学的标准模型。目前，这两个理论描述的是自然界中不同尺度下的性质。当物理学家们努力探索两个理论的交迭处，即同一尺度下时得出了无意义的结果，如引力（或者时空曲率）变成无穷大。（毕竟，物理学家从未在自然界中见过真正的无穷大，他们也不想见到！）

问题2：量子力学的基本问题

一个理解 量子 物理 的问题便是 物理 学 的根本机制与什么有关。量子物理学中有许多解释——经典的哥本哈根解释，Hugh Everett II的备受争议的多世界解释，还有争议更大的如参与式人择原理。这些解释都是围绕量子波函数的坍缩这个问题而展开的。（关于围绕这些问题与人类意识从中所 起作用的谜可以参考 量子迷 （ Quantum Enigma ）。） 

那些研究量子场论的现代 物理 学 家不再考虑这些问题的解释与他们研究领域的相关性。退相干的原则，对许多人来说，解释量子坍缩的原因是——与周围环境的相互作用。更重要的是，物理学家可 以在没有解决物理学基本层面上确切发生了什么的情况下求解方程，进行实验和将物理理论用于实践。因此，大多数物理学家不会考虑物理学在20英尺杆位（ 译者注：高尔夫球术语，意为离 物理 学基本层面很近 ）附近发生的这些奇怪问题。

问题3：粒子和作用力的统一

物理 学中有 四个基本作用力 ，粒子 物理 学的标准模型只包括了其中3个（电磁力，强相互作用力，弱相互作用力）。引力并未包括在标准模型中。努力建立一个理论将四个基本力统一到 统一场理论 中是理论 物理 学家的主要目标。

由于粒子 物理 学的标准模型属于量子场论，那么任何统一都将必须把引力作为量子场论的一部分包括进去，这意味着问题3的解决与问题1的解决是相联系的。

此外，粒子 物理 学的标准模型展示了许多不同的粒子——共有18个基本粒子。许多物理学家认为，一个自然界的基本理论应该有方法去统一这些例子，使得它们能够在更多的基本关系中被描述。例如，众多方法中定义最明确的 弦理论 预测所有的粒子都是不同振动模式下的能量丝，或者称之为弦。

问题4：微调问题

理论 物理 模型是一种数学框架，需要设定某些参数以便能进行预测。在粒子物理学的标准模型中，这些参数是由理论预测的18个基本粒子来体现的，这意味着参数可以通过观测来测量
然而，一些 物理 学家仍相信这些参数是由理论中物理学的基本原理所决定的，这是独立于测量的。这个在过去推动了很多狂热者为 统一场论 而奋斗，并引发了爱因斯坦的著名问题：“上帝创造世界的时候有没有别的方案可选？”宇宙的形式由它的本质属性所确定，如果是不同属性的话这个宇宙就不能正常运作，原因仅仅是这样吗？ 

既然这样，现在问题就变成为什么我们宇宙的属性会设定得如此精准使得其环境适合生命的存在。这个问题被称作“微调问题”并促使一些 物理 学家转向人择原理的解释，认为我们的宇宙之所以有这样的属性是因为如果不是这样的话，我们就不会在这里问这个问题了。（对Somlin的书的一个主要批评就是他把人择原理列为宇宙属性来源的一种解释。）

问题5：宇宙奥秘的问题

宇宙中仍然有许多奥秘，但那些最让 物理 学家抓狂的是 暗物质 和 暗能量 。这种类型的物质和能量可以通过其对引力的影响来检测出来，但却不能直接观测，因此物理学家仍然在试图描绘出它们到底是什么。尽管如此，一些物理学家提出了这些引力被影响现象的替代性解释，这种新解释并不需要引入新形式的物质和能量，不过这些替代方案支持者寥寥无几。

译者注：
【1】Lee Smolin是安达略省滑铁卢Perimeter理论 物理 研 究所的研究人员，滑铁卢大学的助理教授。他拥有罕布什尔学院的学士学位和哈佛大学博士学位，曾任教于耶鲁、锡拉丘兹大学和宾州州立大学。除了在量子引力方 面的工作，他还对基本粒子物理、宇宙学和基础量子力学有兴趣。他在1997年出版《宇宙的生命》（牛津大学出版社）一书中探讨了当今物理学和宇宙学发展的 哲学内涵。
【2】所谓的宇宙微调（fine-tuning），一般指的是基本定律 物理 规范等与宇宙初始之间的惊人平衡状况。当中有些精确度是超乎理解的。平衡的结果就是一个适合生命存在的世界。