理論物理學(xué)中的五大問題

在他有爭議的2006年著作“物理學(xué)的麻煩：弦理論的興起，科學(xué)的墮落，以及接下來的健康知識鏈接問題”中，理論物理學(xué)家Lee Smolin指出了理論物理學(xué)中的五個(gè)大問題。34;

1. 量子重力問題：將廣義相對論和量子理論結(jié)合成一個(gè)可以稱為完整自然理論的單一理論。
2. 量子力學(xué)的基礎(chǔ)問題：通過理解理論或發(fā)明來解決量子力學(xué)基礎(chǔ)中的問題
3. 粒子與力的統(tǒng)一：確定各種粒子與力是否可以統(tǒng)一在一個(gè)理論中，該理論將它們?nèi)拷忉尀橐粋€(gè)單一的，基本實(shí)體。
4. 調(diào)諧問題：解釋粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中自由常數(shù)的值是如何在自然界中選擇的。
5. 宇宙奧秘問題：解釋暗物質(zhì)和暗能量?；蛘撸绻鼈儾淮嬖?t，則確定如何以及為什么大規(guī)模修改重力。更一般地說，解釋為什么包括暗能量在內(nèi)的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的常數(shù)具有它們所做的值。

物理問題1：量子重力問題

量子重力是理論物理學(xué)中努力創(chuàng)造一種既包括廣義相對論又包括粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論。目前，這兩種理論描述了不同的自然尺度，并試圖探索它們重疊產(chǎn)量結(jié)果的尺度，這些結(jié)果非常有意義，就像重力（或時(shí)空曲率）變得無限一樣。（畢竟，物理學(xué)家從來沒有看到自然界中真正的無窮大，他們也不想

物理問題2：量子力學(xué)的基本問題

一個(gè)問題是了解量子物理學(xué)是所涉及的潛在物理機(jī)制。量子物理學(xué)有許多解釋-經(jīng)典的哥本哈根解釋，Hugh Everette II'有爭議的多世界解釋，甚至更有爭議的解釋，如參與式人類原理。這些解釋中提出的問題圍繞著實(shí)際導(dǎo)致量子波函數(shù)崩潰的原因。

大多數(shù)使用量子場理論的現(xiàn)代物理學(xué)家不再認(rèn)為這些解釋問題是相關(guān)的。對于許多人來說，解相干原理是解釋-與環(huán)境的相互作用導(dǎo)致量子崩潰。更重要的是，物理學(xué)家能夠解決方程，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和練習(xí)物理學(xué)，而不會解決基本層面究竟發(fā)生了什么的問題，因此大多數(shù)物理學(xué)家都不想用20英尺的極點(diǎn)接近這些奇怪的問題。

物理問題3：粒子和力的統(tǒng)一

物理有四種基本力量，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型只包括其中三種（電磁學(xué)，強(qiáng)核力和弱核力）。重力被排除在標(biāo)準(zhǔn)模型之外。試圖創(chuàng)造一種將這四種力量統(tǒng)一為統(tǒng)一場理論的理論是理論物理學(xué)的一個(gè)主要目標(biāo)。

由于粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型是量子場理論，所以任何統(tǒng)一都必須包括重力作為量子場理論，這意味著解決問題3與解決問題1有關(guān)。

此外，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型顯示了許多不同的粒子-總共有18個(gè)基本粒子。許多物理學(xué)家認(rèn)為，自然的基本理論應(yīng)該有一些統(tǒng)一這些粒子的方法，所以它們被描述為更基本的術(shù)語。例如，這些方法中定義最明確的字符串理論預(yù)測，所有粒子都是基**量細(xì)絲或字符串的不同振動(dòng)模式。

物理問題4：調(diào)諧問題

理論物理模型是一個(gè)數(shù)學(xué)框架，為了進(jìn)行預(yù)測，需要設(shè)置某些參數(shù)。在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，參數(shù)由理論預(yù)測的18個(gè)粒子表示，這意味著參數(shù)是通過觀察來測量的。

然而，一些物理學(xué)家認(rèn)為，理論的基本物理原理應(yīng)該獨(dú)立于測量來確定這些參數(shù)。這激發(fā)了過去對統(tǒng)一領(lǐng)域理論的熱情，并引發(fā)了愛因斯坦和39;這是一個(gè)著名的問題"上帝在創(chuàng)造宇宙時(shí)有什么選擇嗎？"宇宙的屬性是否固有地設(shè)定了宇宙的形式，因?yàn)槿绻问讲煌?，這些屬性就可以起作用？

對此的答案似乎強(qiáng)烈傾向于這樣一種觀念，即不僅可以創(chuàng)建一個(gè)宇宙，而且還存在廣泛的基本理論（或基于不同物理參數(shù)的相同理論的不同變體，原始能量狀態(tài)，等等），我們的宇宙只是這些可能的大學(xué)之一。

在這種情況下，問題變成了為什么我們的宇宙具有似乎如此精細(xì)調(diào)整以允許生命存在的特性。這個(gè)問題被稱為微調(diào)問題，并促使一些物理學(xué)家轉(zhuǎn)向人類原理進(jìn)行解釋，這表明我們的宇宙具有它所具有的屬性，因?yàn)槿绻哂胁煌膶傩裕覀儠?不在這里問問題。（Smolin'的一個(gè)主要推動(dòng)力是批評這種觀點(diǎn)作為對t的解釋他屬性。）

物理問題5：宇宙奧秘問題

宇宙仍然有許多奧秘，但大多數(shù)vex物理學(xué)家的謎團(tuán)都是暗物質(zhì)和暗能量。這種類型的物質(zhì)和能量是由它的重力影響來檢測的，但是可以直接觀察到，所以物理學(xué)家仍然試圖弄清楚它們是什么。盡管如此，一些物理學(xué)家已經(jīng)提出了對這些重力影響的替代解釋，這些解釋不需要新形式的物質(zhì)和能量，但這些替代方案對于大多數(shù)物理學(xué)家來說是不受歡迎的。

由Anne-Marie Helmenstine博士編輯。

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