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首发2024-06-05 12:16·漠洛枫的旅行日志
2024年12月28日，物理学为什么停滞不前了？因为还有62种乌云！尽头是超弦理论？原创2022-12-14 18:15·科学认识论欢迎阅读科学认识论的《通俗物理100课》合集系列！【第六课：万有理论】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，量子引力理论将与大一统理论再次统一，也就是预期中的万有理论！所以就目前来说，物理学距离万有理论还为时尚早！目前比较可能实现的则是大统一理论！什么是大统一理论？大爆炸模型预测，宇宙中所有的粒子和四种基本作用力都起始于大爆炸之初的奇（qi）点。在宇宙大爆炸的第一个瞬间，也就是在第一个普朗克时间内，宇宙温度曾处于普朗克温度。所有的力和物质都是同一种事物。当宇宙的年龄超过第一个普朗克时间后，温度降到10^31摄氏度，时间为10^-35秒时，物理规律才开始生效，这一阶段引力率先与其他三种力脱离出来当时间达到10^-32s时，温度降至10^26摄氏度。强力又脱离出来。当时间达到10^-12s时，温度降至10^15摄氏度，能量为100Gev。弱力和电磁力再次脱离。至此，四大基本作用力全部完成分离。大爆炸之后的宇宙平均温度逐步降低，引力，强力，弱力和电磁力依次分离开来。逆行推理，只要我们在粒子对撞机中不断提高粒子撞击时的能量和温度，就能看到电磁力率先会合并弱力，再合并强力，最后合并引力。但是目前的实验装置创造的能量和温度，只能够看到弱力和电磁力的合并。还远不足以达到合并强力和引力的程度。所以，现阶段我们只能完成弱力和电磁力的统一，也就是电弱理论。之后电弱理论会尝试统一强力，最终完成大统一理论。但大统一理论如果要统一引力，则人工创造的温度须接近普朗克温度，这对实验来说，几乎是不可能实现的。所以统一引力的理论需要绕开这种几乎无法完成的实验，重新建立新的引力尝试统一引力，比如量子引力理论和超弦理论。超弦理论会成为终极理论吗？在弦理论中，基本粒子只是一个近似值，如果放大这些粒子，就会发现它们都是由一根小弦构成的，这些弦有时打开，有时闭合。这些弦就像皮筋一样，也存在张力，也可以振动。就和吉他弦一样，不同的振动方式可以产生不同的波。如果振动方式不同，那么就会产生第一种波，第二种波，第三种波依次类推，不同振动的波在量子尺度上就会表现成不同类型的粒子。通过弦理论的计算，有些弦振动出的结果像光子，有些弦振动像引力子。如果我们相信，所有的基本粒子都是由更小尺度的弦构成，我们自然可以相信引力子也是由弦构成的。但是弦理论是一种饱受诟病，因为它不符合了“如无必要，勿增实体”的观念。有了弦理论，引力子是可以和标准模型融洽了，但是又产生了更多的问题暂时无法解决。第一个问题，所有弦的振动都表现得像是玻色子，比如光子和引力子！但是我们的世界却真实存在着像电子这样的费米子，按照弦理论，所有振动模式的弦都无法生成费米子，这与客观事实违背！第二个问题，在弦理论的预测中，会产生质量会虚的超光速粒子-快子。“快子”的质量是一个负数的平方根。第三个问题，我们感知到的宇宙是四维时空，是三个维度的空间加上第四维度的时间。但是弦理论却只能适用于26维度的宇宙。弦理论适用的宇宙和我们真实的宇宙相差甚远。这三个问题导致超弦理论目前也停滞不前！还有理论认为，或许这个世界本来就没有什么万有理论！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。
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丁丁的人生旅程注定不会一帆风顺初踏入北大校园之际宿舍的全新环境给他带来了不小的挑战由于作息时间的差异丁丁习惯于早起学习却给同寝室的同学们带来了困扰
From his point of view, in recent years, there's been more academic interest in the West in Marxism, especially after the financial crisis of 2008. As the global problems develop, more and more people will become interested in Marxism. (Peng Dawei, Wu Jiaju)申园荷景。上海世博文化公园供图。