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物理学为什么停滞不前了？因为还有62种乌云！尽头是万有理论原创2022-09-19 17:27·科学认识论为什么现在的物理学停滞不前了，物理学的尽头为什么是终极理论，它到底是什么？在回答这些问题之前，你现在可以提出，你能想象到对于宇宙最大的一个疑问。比如物质是怎么来的，时间有没有尽头，是什么导致宇宙发生了大爆炸，暗物质和暗能量是什么？对于这些提问，如今的物理学已经有了可能的回答，但是这些回答都相对独立。比如，正反物质对称性破缺可能会解释宇宙为何发生了大爆炸。在标准模型的预测中，惰性中微子可能会解释暗物质的组成元素。但是，我们无法只用一种理论就能解释以上所有的问题。这就证明，目前的物理学还远没有统一，天空中还有很多乌云。从本期内容开始，我将持续更新物理学乌云系列，我自己不喜欢碎片化学习，即便是自媒体时代，也尽量做系统化内容。物理学乌云系列是系统解读物理学尚未解决的难题系列。目前物理学难题有62种，此系列已经讲过真空灾变，引力量子化，暗物质粒子等乌云。后续这62种乌云我都会讲到，这一系列我会慢慢更新，后续估计得更新好几年。在这些乌云中，最大的一朵只有一种。这也是本期内容的核心内容。在物理学乌云系列中，我会先从最大的一朵乌云讲起，这样你们就有了一个整体框架，之后更新的内容会在这个框架内开展。这样学习起来会更系统，也更有效率。回归正题，如果你对所有物理现象都不断追问原因，那最后的原因一定是因果律失效的终极问题。反过来讲，如果我们从这个终极问题出发，就能抵达任何物理现象。在科学史上，物理学家几乎都奉行着简单而统一的信念，物理学家在对待两个表面上看起来毫不相关的自然现象总喜欢尝试着统一，寻找它们之间更深层次的共同原因，逐步逼近终极问题。终极问题对应着终极理论。终极理论也就是万有理论（ToE）纵观整个物理学史，正是由于我们一直向往终极理论，才推动了科学的发展。早在17世纪，人们一直以为天体运动和抛物运动是由不同的物理机制控制。直到牛顿的出现，才将地球上物体运动和天体运动统一起来，我们才知道天体运动和苹果落地原来是由同一种力量控制。1865年之前，人类虽然已经知道了磁铁的存在，也知道雷电现象。但是绝对想不到磁铁和闪电有什么相同之处。直到麦克斯韦方程组的出现，才将这两种“毫不相关”的现象彻底统一起来，现在我们知道，光，电，磁，化学反应这四种完全不同的现象，其实都是由电磁作用引起的。20世纪初，量子力学的出现，统一了原子理论和牛顿力学。1905年，狭义相对论统一了质量和能量，时间和空间。1915年，广义相对论统一了时空和引力。20世纪40年代，物理学家统一了电磁理论，狭义相对论和量子力学，从而提出量子电动力学。20世纪60年代，弱力和量子电动力学又被统一，形成了电弱理论。如今，物理学学家一边在统一强力和电弱理论，也就是大统一理论（GUT）。另一边，又在统一量子力学和广义相对论，也就是量子引力理论。之后，量子引力理论将于大一统理论再次统一，也就是预期中的万有理论从字面意思上理解，合格的万有理论是能够解释宇宙中一切的自然现象的。而宇宙无非是物质的，且物质是变化的。所以万有理论只需解释物质的构成，和物质的变化 这两个问题即可。基于这两个问题，万有理论就构建起了两个框架第一个框架就是描述物质的构成，第二个框架就是描述物质的变化规律。我们先来看第一个框架，宇宙的一切都是由物质，场，和能量构成的，而场和能量又可以等价成物质，所以我们只需研究物质是如何构造起来的，则就可以完成第一个框架的构建。现在我们知道，目前所有的物质可能都是由62种基本粒子构成（包含引力子）。这些基本粒子有负责构成物质的费米子，也有负责传递力和赋予质量的玻色子。除了暗物质，目前我们所认识到的所有物质，其基础材料都可以在标准模型中找到。但对于第一个框架，虽然标准模型已经可以很好地解释，但是还未统一。第二个框架用于描述物质之间的各种变化规律。宇宙中的变化看似包罗万象，比如：木材的燃烧，海水的流动，原子弹的爆炸，植物的光合作用等等，但是万变不离其宗，宇宙中所有的变化无非都是四种最基础的变化引起的。这四种最基础的变化就是四种基本作用力。物理法则不认同超距作用，任何作用力都必须存在一种信使粒子来传递力。所以 四种基本作用力就是相互交换信使粒子的产物。电磁力是物质之间交换光子的产物。燃烧的本质就是分子化学键的断裂和重组，其过程由电磁力主导，且交换光子。包括光合作用，海水的流动，摩擦生热的过程中都会交换光子，其本质都是由电磁力引起的。弱力是物质相互交换W和Z玻色子的产物。原子核中的质子和中子会相互变换，这种变换的本质就是交换W和Z玻色子引起的。强力是物质相互交换胶子的产物，夸克之间交换胶子才形成了强力，从而形成夸克禁闭效应。引力是物质相互交换引力子的产物，理论上，天体之间交互了引力子才维系了引力（待证实）。宇宙中最基础的变化，正是由四种基本力在不断交换信使粒子时 引起的，在四种基本力的原始推动下，产生了多米诺骨牌效应，进而推动了整个物质世界的运动，产生了譬如，超新星爆发释放的伽马射线，黑洞合并 释放的引力波， 地球自转形成的磁场等等千变万化的现象。现在再仔细分析万有理论的两个框架，第一个框架负责解释物质的构成，第二个框架负责解释物质在四种基本力作用下的变化。对于第一个框架，虽然标准模型已经给出了62种基本粒子，但是如果要统一物质的构成理论，就需要找到这62种基本粒子之间更深层次的一致性，只需通过一种理论就可以延伸出这62种基本粒子。目前物理学正在用超弦理论试图统一这些基本粒子。认为最基本的物质就只有一种，这是接近普朗克尺度的弦，弦的不同形式的震动才衍生出不同的基本粒子。同理到第二个框架，四种基本作用力也必须统一，也就是说，四种基本力一定存在一种更深层的一致性，通过这种一致性，从而才衍生出四种基本作用力。而目前，物理学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。为了不让引力拖大统一理论的后腿，所以物理学家另辟蹊径，让电弱理论先统一了强力再说。至于引力，则尝试用新的理论单独统一，这就是量子引力理论。两条支线任务同时并进，电弱理论统一强力后，晋升成大统一理论，量子力学统一引力后，晋升成量子引力理论。两条支线任务完成后，之后再统一量子引力理论和大统一理论，到那时，四种基本作用力则彻底被统一，万有理论则大事可成。但回顾物理学史，貌似这样的思路往往潜藏着巨大的隐患。参考以太的发展史，就会发现，物理学的方向往往事与愿违。事实上，万有理论远比想象的困难多了我先说两个最大的问题，一个是理论上的问题，另一个是哲学上的问题。我们先说说理论上的问题，在物理学统一的过程，似乎一直忽略了暗物质和暗能量。暗物质和暗能量之所以存在，是因为大尺度下的天文现象和现有的引力理论不符。造成如此的局面无非就是两种可能第一种可能：暗物质和暗能量不存在，引力理论需要修改。第二种可能：暗物质和暗能量存在，这就证明物理学中存在很大的不确定性因素。这两种可能的任何一种 都极大地阻碍了万有理论的统一之路。除了理论上的困难，还有哲学上的困难。首先我们思考一下，物理理论的本质是什么？物理理论的本质无非就是对自然现象的归纳和总结，但并不能解释自然现象为何如此。我们不生产现象，我们只是现象的归纳工。如果自然现象本就是独立的，而不存在一个可以延伸出各种自然现象的最基本现象。那么万有理论就不可能成功。因为万有理论的意义就是将所有自然现象归纳到一个理论中，从这个最基础的万有理论出发，就可以解释任何自然现象。物理理论只能基于现象，如果现象本不如此，则理论则也该不如此。最后，说一下我自己的感想，我认为万有理论可能永远不会实现，因为真正意义上的万有理论意味着物理学的停滞，我们仅基于一个理论就足以解释宇宙中的所有现象，这是十分悲哀的。自然规律还不足以可怜到人类仅有几百年的时间就被完全掌握了。追求物理学的统一是探索宇宙的驱动力，而不是终点。我始终相信一句话：已知圈越大，未知圈就更大。
2024年12月24日，首发2024-04-08 20:50·林先森的旅游频道
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还是听医生的话比较好
你会跟身边的人吵架吗？广州也“入列”