讓物理學(xué)家頭疼的五件事

赤緯

物理理論的研究過程通常是這樣的：經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，一個物理理論終于成形了，它可以很完美地解釋現(xiàn)實，然后，它卻預(yù)測出了沒人想要的東西。愛因斯坦的廣義相對論就是一個典型的例子。它是我們目前最好的引力理論，但是它卻預(yù)測出了黑洞的存在——一個引力極強的時空區(qū)域，任何物質(zhì)包括光都無法從中逃離出來。即使到了現(xiàn)在，物理學(xué)家都還在為黑洞這個概念感到頭疼，因為關(guān)于它，有太多棘手的問題等待解決。而黑洞并不是唯一能讓物理學(xué)家感到頭疼的概念，下面我們就再舉5個類似這樣的例子。

量子的多重性

現(xiàn)實似乎非常確定，對吧？你在這里，足球在那里，你把足球踢飛，它最終會落到不遠(yuǎn)處，這都看起來很正常。但在量子力學(xué)那里，所描述的畫面將會是完全不同的。

量子力學(xué)認(rèn)為，事物在我們測量之前的狀態(tài)是不確定的，它會同時處于多種狀態(tài)之中，直到測量時，它的狀態(tài)才被唯一地確定下來。例如，一件東西可以同時位于不同的地方，只有當(dāng)我們測量到它時，它才會最終停留在某一個地方。就像那只足球，如果我們沒有檢測到它時，那么它可以同時處于各個位置上，只有當(dāng)我們檢測到它時，它才可能確定在操場某處。

愛因斯坦有點不信這一套，他在一次散步中，曾向他旁邊的學(xué)生提問題，“你是否相信，月亮只有在看著它的時候才真正存在？”愛因斯坦認(rèn)為，事物在測量之前應(yīng)該也是確定的，而量子力學(xué)的解釋恐怕不正確。但是，許多物理學(xué)同行并不這么認(rèn)為，畢竟量子力學(xué)是有史以來最成功的科學(xué)理論，理論與實驗結(jié)果極為相符。對此，美國物理學(xué)家戴維·慕爾明總結(jié)了大多數(shù)人的感受。他說：“閉上嘴，去計算！”意思是，像愛因斯坦提出這類問題沒必要討論，只要量子力學(xué)管用就行了。

為了理解量子力學(xué)這種看似荒謬的推論，物理學(xué)家還提出了很多不同的詮釋。一個很出名的詮釋叫做多世界詮釋，它認(rèn)為在測量之后，每個之前曾存在的量子狀態(tài)都會繼續(xù)存在下去，只不過它們處于平行世界中，我們只是看不見它們而已。還是用那只足球來比喻，當(dāng)我們看到它時，它雖然確定在操場上，但也可能在別處，只是在別處的那只足球在與我們世界相平行的另一個世界里。

時間

關(guān)于時間，出問題的地方不是來自于物理學(xué)，而是來自于你。你可能會相信，時間正不斷地從過去流向未來，但這其實是你的大腦產(chǎn)生的錯覺。自從20世紀(jì)初愛因斯坦提出相對論以來，物理學(xué)中的時間概念已經(jīng)被表達(dá)得很清楚了：時間并不流逝，客觀的過去和客觀的未來也都不存在。

除了這個矛盾以外，相對論和量子力學(xué)對描述時間的方式也不相同。相對論認(rèn)為，時間與空間緊密相連，它們都是相對的概念。比如物體運動得越快，時間流逝得越慢。但量子力學(xué)卻又回到經(jīng)典的框架下，認(rèn)為存在一個絕對的時間。

如何解決這些矛盾呢？大多數(shù)物理學(xué)家的回復(fù)可能仍是：“閉上嘴，去計算！”然而，一些物理學(xué)家仍在想辦法去解決這些時間問題。其中一個觀點認(rèn)為，我們只需要對過去、現(xiàn)在和未來給出一個更好的物理定義，那么許多問題就有可能得到解決了。這個觀點是否正確呢？只有時間才能告訴我們答案。

宇宙常數(shù)

入圍，出局，再入圍，再出局……宇宙常數(shù)的歷史就是這么折騰。

愛因斯坦曾把它加入到他的廣義相對論方程中，來穩(wěn)定宇宙，并確保它在自身的引力下不會膨脹也不收縮。然后，在20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家愛德文·哈勃和其他人發(fā)現(xiàn)宇宙實際上正在膨脹，這促使愛因斯坦拋棄了宇宙常數(shù)這個概念，并認(rèn)為這是他一生中“最大的錯誤”。

然而在20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家通過觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙實際上正在加速膨脹，而導(dǎo)致加速膨脹的背后力量被稱之為“暗能量”。物理學(xué)家又把宇宙常數(shù)引入進(jìn)來，認(rèn)為暗能量就是一種宇宙常數(shù)，它能起到與引力相反的作用，能把宇宙中各個事物推開。

唯一的問題是，20多年過去了，人們還沒有搞清楚宇宙常數(shù)（暗能量）的來源。當(dāng)前最好的猜想是，宇宙常數(shù)是一種真空能，是真空中無數(shù)個轉(zhuǎn)瞬即逝的虛粒子貢獻(xiàn)出的能量。不過，物理學(xué)家根據(jù)量子理論推導(dǎo)出的真空能密度，約為1094g/cm3。但是，他們根據(jù)對宇宙膨脹情況的觀測，得出的結(jié)果卻只有10-29g/cm3。也就是說，宇宙常數(shù)的理論值竟然是觀測值的10123倍。物理學(xué)家到現(xiàn)在也沒搞清楚這么大的差距是怎么來的。

無窮

數(shù)學(xué)家相信無窮的存在，他們還認(rèn)為，不僅存在無窮，而且還存在很多種無窮。事實上，無窮常常能大幅度簡化數(shù)學(xué)的計算過程，數(shù)學(xué)家還經(jīng)常發(fā)明出全新種類的無窮概念，來堵住他們在研究時遇到的邏輯漏洞。

但對物理學(xué)家來說，無窮無疑是一種痛苦。無窮令人難以駕馭，只要它在一個物理理論中出現(xiàn)，它就傾向于毀掉這個物理理論。例如，物理學(xué)家曾試圖把電磁力和弱核力統(tǒng)一起來，但是他們的公式中老是出現(xiàn)無窮大的結(jié)果，使得計算無法進(jìn)行下去。物理學(xué)家最終花了幾十年才找到正確的數(shù)學(xué)方法，解決了該問題。而現(xiàn)在，黑洞、大爆炸之前的宇宙都存在密度無窮大的“奇點”，這些無窮仍在阻礙了引力理論與量子理論的統(tǒng)一。

一些物理學(xué)家已經(jīng)受夠無窮了。他們認(rèn)為，宇宙可能不存在真正的無窮，那些被認(rèn)為是無窮的東西，可能近似無窮而已。麻煩的是，完全沒了無窮的概念，數(shù)學(xué)很難計算下去。

宇宙的熱寂

宇宙的末日是什么樣的？一些人認(rèn)為，宇宙可能會在一場巨大的天文學(xué)暴力事件中結(jié)束。但是，許多物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙更可能會在漫長的時間里逐步地走向它的終點。

要怪就怪熱力學(xué)第二定律。這個定律認(rèn)為，宇宙的熵（表示混亂程度的物理量）會隨著時間的流逝而增加，從有序走向無序。當(dāng)熵達(dá)到最大值時，宇宙中所有可以被利用的能量都變?yōu)榱藷o法利用的熱能，宇宙各處都達(dá)到了熱平衡。這種狀態(tài)稱為熱寂。此時，宇宙各個天體都不復(fù)存在，一切都一樣，沒有任何變化發(fā)生。再加上暗能量使得宇宙膨脹得越來越快，最終宇宙會變得空曠、黑暗且寒冷。

我們當(dāng)然不會在這里看到這一切，因為早在宇宙達(dá)到熱寂之前，變?yōu)榧t巨星的太陽就已經(jīng)把我們的地球烤化掉了。

但是，熱寂這種結(jié)局不僅令人沮喪，走向結(jié)局的過程也比較乏味。于是，物理學(xué)家開始去考慮一些其他的可能，雖然結(jié)局仍令人沮喪，但其過程至少是驚心動魄的。其他的可能包括了大撕裂（宇宙在更強大的暗能量下被完全撕裂），以及大坍縮（宇宙萬物反過來坍縮在一起）。

當(dāng)然最有趣的一個可能是大崩潰——量子漲落導(dǎo)致宇宙某個區(qū)域變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致所有原子無法穩(wěn)定存在下去，物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生崩潰，并且從那里以光速向宇宙四周擴(kuò)張。與其他的可能不同的是，我們不會提前知道何時會發(fā)生大崩潰。