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2024年12月20日，物理学停滞100年，还有四大乌云！解决任何一个，将改变世界原创2022-12-05 18:19·科学认识论欢迎阅读科学认识论的《通俗物理100课》系列，此系列旨在提高大众基础科学素养，共一百多篇文章，定期更新，涉及物理学各个方面，包括宇宙学，量子力学，相对论，弦论，以及各种前沿物理学知识。【第四课：物理学乌云】1900年，英国物理学家威廉?汤姆生发表了题为“在热和光动力理论上空的19世纪乌云”的演讲。此时此刻的物理学家们似乎认为物理学的大厦已经建立起来了，剩下的工作就是些缝缝补补的打杂活。威廉?汤姆生但是这两朵乌云毫无消散的意愿，一个是黑体辐射问题，一个是光速问题。以现代时空观角度来看，正是这两朵在当时看起来不怎么重要的乌云却彻底将物理学的大厦推倒，重新构建起来了。黑体辐射问题的解决造就了量子力学，光速问题的解决造就了相对论。量子力学和相对论的建立已经过去了一个世纪。这一百年内，再也没有出现类似量子力学和相对论这样划时代的物理理论的出现。然而现代物理学天空上的乌云数量远超19世纪。或许下一场物理学的革命就蕴藏在这些乌云里。所以我将开设一个新的专题，持续更新十几期现代物理学乌云的内容。现代物理学乌云大致分为62种，纯理论方面的乌云28种，有科学解释，但是缺乏合理证据的乌云有34种。本篇文章由于篇幅限制，暂时只介绍四种比较重要的乌云，后期会慢慢更新！第一朵乌云：量子力学和广义相对论的矛盾这里有一个普遍的误解，很多人认为广义相对论和量子力学之间存在矛盾，两者不可能同时都对。其实这样的说法并不正确。两个理论有矛盾意味着各自对同一现象的解释会出现偏差或者背离的情况。而广义相对论在解释宏观尺度上的引力现象十分完美，量子力学解释微观世界也十分适用。两者在各自管辖的领域内都能很好地适用，并没有产生明显的冲突。只有尝试将量子力学和广义相对论兼容时，才会出现问题。那既然兼容不到一块，那就不兼容了，为什么非要费那么大的劲给它两撮合到一块呢。其实，信奉简单而统一是物理学家的执念，如果引力和其他基本力不一样，没有属于自己的信使粒子，我想，你估计也忍不了，一定会想着让引力也纳入到量子力学中，用量子力学解释引力。所以物理学家一直寻求着引力量子化的方法。但这个过程至少出现了一个难以解决的问题。迄今为止，大自然只发现了强力，弱力， 电磁力 ，引力，这四种基本力。力是一种相互作用，两个物质之间要产生相互作用，不可能隔空传递（暂不考虑量子纠缠）。只能借助一种中介物质来完成，暂且将这种中介物质称为信使粒子。强力作用于原子核内，传递强力的信使粒子是胶子。弱力体现在亚原子粒子的放射性衰变上，传递弱力的信使粒子是W和Z玻色子。电磁力作用在一切电磁现象中，电磁力的信使粒子是光子。引力作用在所有物质之间，这也是作用范围最广，最普遍的一种作用力。传递引力的信使粒子是引力子。但很遗憾，迄今为止，我们仍然没有找到引力子。或者说，宇宙中是否存在引力子都是一个问号。前三种基本相互作用力都有自己的信使粒子，按照美而简洁的物理信念，引力也应该有属于自己的信使粒子。所以引力子也是广义相对论和量子力学无法兼容的最大障碍。第二朵乌云：大统一理论我们知道，自然只有四种基本力，但是物理学目前只统一了弱力和电磁力，弱力和电磁力只是在低能量状态下才表现得像不同的力，但能量只要足够大（100GeV），弱力和电磁力就会表现成同一种电弱作用力。这就是电弱理论。所以我们就可以设想，如果外部条件合适，强力和电弱作用力是不是也会统一表现成同一种力？电弱理论如果统一了强力就会晋升成大统一理论。如果大统一理论完成，那剩下的就只有引力了。大统一理论之所以不包括引力，是因为引力十分特殊。强力，弱力和电磁力起码已经明确了它们的信使粒子。但目前，我们甚至连引力的信使粒子（引力子）都没有找到。所以大统一理论目前还很难完成！第三朵乌云：暗物质暗物质最早是由荷兰物理学家—扬?奥尔特提出的，也就是后来名字被命名为奥尔特云的奥尔特。1932年，奥尔特在研究银河系自旋时发现，按照现有的引力理论，无法解释为何银河系外侧的旋转速度远超理论预测值。如果银河系内没有额外的质量，那么银河系自身的引力还不足以束缚住星系外侧超强的离心力，这会导致整个星系分崩离析。所以就预言，银河系内一定存在一种看不见的额外物质，而这就是后来的暗物质。如今，对于暗物质最有利的证据主要集中在大尺度下的引力透镜效应中。最典型的就是子弹星系团的引力透镜。子弹星系团是由船底座的两个碰撞星系组成。如果不引入暗物质，按照这两个星系的质量计算，不可能出现如此显著的引力透镜效应，所以天文学家根据引力透镜效应就能反推出暗物质的分布情况。其中粉红色部分是正常物质发出的X射线，而蓝色部分则是通过引力透镜推算出的暗物质分布。子弹星系团也是目前证明暗物质存在的最好证据。即便证明暗物质存在的现象很具说服力，但暗物质以及未被彻底证实！第四朵乌云：标准模型标准模型听起来比较晦涩难懂，其实基础逻辑十分简单。人类要了解物质世界，必然就要找到组成物质的更小的成分。我们一定会问：物质由什么构成？物质不断细分到底有没有尽头？如今我们暂时知道物质的细分是有尽头的，把物质不断细分，最终会达到不可再分的粒子，这些粒子就是基本粒子，比如夸克，光子，中微子等。标准模型干的事就是将不可再细分的粒子装到一个理论中，研究这些基本粒子之间的相互作用。到目前为止，人类只发现了61种基本粒子。如果加入尚未发现的引力子，那就是62种基本粒子。现在的问题是：大自然难道真的只存在着62种基本粒子吗？我想没有任何科学家敢这么认为，甚至大部分科学家相信还有更多的基本粒子未被发现。如果基本粒子没有全部找到，那么标准模型就是个半成品，甚至可能存在重大缺陷。最明显的一个佐证就是，最近科学家发现W玻色子超重，原因可能是有未知的新粒子作用其中。最严重的后果这会导致希格斯机制被否定。所以说，如果基本粒子无法全部找到，而未发现的基本粒子在事实上也会参与已知的基本粒子的作用中，但是我们又不知道它们如何作用，这样就会干扰甚至误导人类对现有基本粒子的认知，导致人类难以掌握粒子世界的基本理论。
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