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除了黑洞,这些概念也让物理学家头疼
除了黑洞,这些概念也让物理学家头疼
3/27/2018 2:03:24 AM | 浏览:250 | 评论:0

      爱因斯坦的广义相对论预测出了黑洞的存在,但即使到了现在,物理学家还在为黑洞这个概念感到头疼,因为关于它,有太多棘手的问题等待解决。然而黑洞并不是唯一能让物理学家感到头疼的概念,下面就举几个类似的例子。

    

除了黑洞,这些概念也让物理学家头疼

量子的多重性

     现实似乎非常确定——你在这里,足球在那里,你把足球踢飞,它最终会落到不远处,这都看起来很正常。但在量子力学里,所描述的画面将会是完全不同的。

     量子力学认为,事物在我们测量之前的状态是不确定的,它会同时处于多种状态之中,直到测量时,它的状态才被唯一地确定下来。就像那只足球,我们没有检测到它时,它可以同时处于各个位置上,只有当我们检测到它,它才可能确定在操场某处。

     爱因斯坦有点不信这一套,他在一次散步中曾向他旁边的学生提问:“你是否相信,月亮只有在看着它的时候才真正存在?”爱因斯坦认为,事物在测量之前应该也是确定的,而量子力学的解释恐怕不正确。但是,许多物理学同行并不这么认为,毕竟量子力学是有史以来最成功的科学理论,理论与实验结果极为相符。为了理解量子力学这种看似荒谬的推论,物理学家还提出了很多不同的诠释。一个很出名的诠释叫做多世界诠释,它认为在测量之后,每个之前曾存在的量子状态都会继续存在下去,只不过它们处于平行世界中,我们只是看不见它们而已。还是用那只足球来比喻,当我们看到它时,它虽然确定在操场上,但也可能在别处,只是在别处的那只足球在与我们世界相平行的另一个世界里。

除了黑洞,这些概念也让物理学家头疼

宇宙常数

     入围,出局,再入围,再出局……宇宙常数的历史就是这么折腾。

     爱因斯坦曾把宇宙常数加入到他的广义相对论方程中,用以确保宇宙在自身的引力下不会膨胀也不收缩。然后,在20世纪20年代,美国天文学家爱德文·哈勃和其他人发现宇宙实际上正在膨胀,这促使爱因斯坦抛弃了宇宙常数这个概念,并认为这是他一生中“最大的错误”。

     然而在20世纪90年代,天文学家通过观测发现,宇宙实际上正在加速膨胀,而导致加速膨胀背后的力量被称之为“暗能量”。物理学家又把宇宙常数引入进来,认为暗能量就是一种宇宙常数,它能起到与引力相反的作用。

     唯一的问题是,20多年过去了,人们还没有搞清楚宇宙常数(暗能量)的来源。当前最好的猜想是,宇宙常数是一种真空能,是真空中无数个转瞬即逝的粒子贡献出的能量。不过,物理学家根据量子理论推导出的真空能密度,约为1094克/立方厘米。但是,他们根据对宇宙膨胀情况的观测,得出的结果却只有10-29克/立方厘米。也就是说,宇宙常数的理论值竟然是观测值的10123倍。到现在物理学家也没搞清楚这么大的差距是怎么来的。

除了黑洞,这些概念也让物理学家头疼

无穷

     数学家相信无穷的存在,他们还认为,不仅存在无穷,而且还存在很多种无穷。但对物理学家来说,无穷无疑是一种痛苦。只要它在一个物理理论中出现,它就倾向于毁掉这个理论。例如,物理学家曾试图把电磁力和弱核力统一起来,但是他们的公式中老是出现无穷大的结果,使得计算无法进行下去。物理学家最终花了几十年才找到正确的数学方法,解决了该问题。而现在,黑洞、大爆炸之前的宇宙都存在密度无穷大的“奇点”,这些无穷仍在阻碍引力理论与量子理论的统一。

     一些物理学家已经受够无穷了。他们认为,宇宙可能不存在真正的无穷,那些被认为是无穷的东西,可能只是近似无穷而已。

除了黑洞,这些概念也让物理学家头疼

时间

关于时间,你可能会认为,时间正不断地从过去流向未来,但这其实是你的大脑产生的错觉。自从20世纪初爱因斯坦提出相对论以来,物理学中的时间概念已经被表达得很清楚了:时间并不流逝,客观的过去和客观的未来也都不存在。

     除了这个矛盾以外,相对论和量子力学对描述时间的方式也不相同。相对论认为,时间与空间紧密相连,它们都是相对的概念。比如物体运动得越快,时间流逝得越慢。但量子力学却认为存在一个绝对的时间。

     如何解决这些矛盾呢?大多数物理学家的回复可能仍是:“闭上嘴,去计算!”然而,一些物理学家仍在想办法去解决这些时间问题。其中一个观点认为,我们只需要对过去、现在和未来给出一个更好的物理定义,那么许多问题就有可能得到解决了。这个观点是否正确呢?只有时间才能告诉我们答案。

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