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物理学大一统出现的问题

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前言

早在20世纪20年代,著名物理学家爱因斯坦就致力于寻找一种统一的理论来解释所有相互作用,也可以说是解释一切物理现象,因为他认为自然科学中“统一”的概念或许是一个最基本的法则。甚至可说在爱因斯坦的哲学中,“统一”的概念根深蒂固,他深信“自然界应当满足简单性原则”。

有没有一种理论可以较完美的阐述物理学出现的所有体系?答案是肯定的,虽然目前为止还从未发现,从先前原始时代到现在很多科学家都专注于发现物理理论,可从未提出过大一统的猜想,实现大一统的困难主要是物理学理论之间的矛盾,例如量子力学,广义相对论还有弦理论。我们需要建立一个统一的模型来同时正确的阐述这些理论,这或许会带来些许困难

研究过程

1.       超弦理论和超对称的问题

超弦理论最引人注目,它距完成超对称统一理论还相当遥远。粒子理论的一个重要探索方向是关于超对称统一理论的研究,其目标一是把大统一理论扩大到包括万有引力在内,从而把四种基本相互作用统一到一起来;二是探索夸克和轻子的内部结构,提出“亚夸克”模型,从而把自旋为半整数的费米子和自旋为整数的玻色子统一到一起。超弦理论是人们抛弃了基本粒子是点粒子的假设而代之以基本粒子是一维弦的假设而建立起来的自洽的理论,自然界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式。与以往量子场论和规范理论不同的是,超弦理论要求引力存在,也要求规范原理和超对称。毫无疑问,将引力和其他由规范场引起的相互作用力自然地统一起来是超弦理论最吸引人的特点之一。自然界中总共4种相互作用力除有引力之外的3种都可有量子理论来描述,电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换“量子”来解释的。但是,引力的形成完全是另一回事,爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的。在爱因斯坦广义相对论里面,弥漫在空间中的物质使空间弯曲了,而弯曲的空间决定粒子的运动。如果可以用电磁力来解释引力的作用,这时物质交换的“量子”称为引力子,但这一尝试却遇到了原则上的困难,在这一模型下,量子化后的广义相对论是不可重整的,因此,量子化和广义相对论是相互不自洽的。

2.       量子力学中出现的问题

我们都知道量子力学,不过他出现了许多问题,现在量子力学的发展革命性地改变了人们对物质的结构以及其相互作用的认识。量子力学并没有支持自由意志,只是于微观世界物质具有概率波等存在不确定性,不过其依然具有稳定的客观规律,不以人的意志为转移,否认宿命论。今天,大多数物理学家,接受了量子力学描述所有一个系统可知的特性,以及测量过程无法改善,不是因为我们的技术问题所导致的的见解。这个解释的一个结果是,测量过程扰动薛定谔方程,使得系统塌缩到它的本征态。假如,量子力学的数学模型,它的适用范围内的完整的物理现象的描写的话,我们发现测量过程中,每次测量结果的概率性的意义,与经典统计理论中的概率,意义不同。即使完全相同的系统的测量值,也会是随机的。告诉我们这与经典的统计力学中的概率结果不一样。在经典的统计力学中,测量结果的不同,它是由于实验者无法完全复制一个系统,而不是因为测量仪器无法精确地进行测量。在量子力学的标准解释中,测量的随机性是基本性的,它是由量子力学的理论基础获得的。问题来了,由于量子力学尽管无法预言单一实验的结果,依然是一个完整的自然的描写,使得人们不得不得出以下结论:世界上不存在通过单一测量可以获得的客观的系统特性。一个量子力学状态的客观特性,只有在描写其整组实验所体现出的统计分布中,才能获得。这和爱因斯坦狭义相对论出现了冲突,爱因斯坦认为‘’上帝是不投筛子的‘’【通俗点就是说一切都是决定性的】的和量子力学中波尔薛定谔为首的科学家‘上帝是投筛子的’理论出现的冲突,或许这些理论困扰爱因斯坦然他想了几年也不明白这是什么意思,但我想肯定的说,量子力学在这个基础上更加完美一点,目前为止,量子力学可以算作是被验证的严密的物理理论之一了。大部分实验数据均无法推翻量子力学。大多数物理学家认为,它“几乎”在所有情况下,正确地描写能量和物质的物理性质。虽然如此,量子力学中,依然存在着概念上的弱点和缺陷,除上述的万有引力的量子理论的缺乏外,至今为止对量子力学的解释存在着争议。

3.        数学与物理学出现的问题

或许我想调侃一下,物理学家讨厌数学家的原因,目前大一统这个概念只是建设在理论基础之上的,或许我们完成不了他,你也可以说物理学以及数学是不存在的,如果这个模型不标准的情况下,你能以你的方式去阐述一个比当代物理学以及数学更加标准的模型,那么你就是真理,物理与数学公式,大多数都是应用在实际生活中的,【事实】这个概念用物理阐述和数学阐述保持一致,那么也许是看做统一了,可问题是,我们不能确定这个的真实性,观察的角度相同,描述物体的事实一致,我们也许不能肯定这件事,能完全用物理来描述,可是现在数学模型和物理学模型都不完整,你去阐述一个事实,那不就是在胡扯吗?其实也不一定,物理和数学是为了更好的方便我们理解这个世界的工具,是以人类的角度观察世界发现并且才发明的,说通俗一点吧,你可以把他们当做语言,来用我们人类的眼光阐述事实,可是语法出现了矛盾,此外,我们目前所知的物理学具有理论局限性和不一致性,我们没有办法解决语法的问题,因此,我们还怀疑宇宙中有更多超出标准模型的未知物理学。

大一统需要一个标准的物理模型,也需要我们的科学家继续努力

参考资料

时间简史,量子力学

NASA资料网,物理学资料网

加州理工学院讲座,普林斯顿大学讲座,MrYAN研究所

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