第4个回答 2007-11-07
常识空间以外的物理科学
1、 向宏观和微观两个极端的深化
20世纪的科学取得了巨大的成果，就物质层次及其基本运动规律的认识来说，涉及以下五个层次的物质系统。第一，原子分子层次；第二，原子核层次；第三，夸克层次；第四，轻子层次；第五，宇宙层次。前四个层次又可归入微观体系。第五个层次与地球上物体、行星、恒星等一起可归入宏观体系。
原子分子层次虽然在19世纪已有初步认识，但是真正在理论和实验上都进行深入探究并获得重大成果是在20世纪，尤其在量子力学诞生的20世纪20年代以后。对原子分子层次的研究涉及物理学、化学和生物学等多个学科，如量子化学、分子生物学、凝聚态物理学等。
以居里夫人为首的科学家对物质放射性的研究，使人类认识了物质存在的另一层次——原子核。原子核是由中子和质子组成的系统，中子和质子依靠强相互作用紧紧地结合在一起形成原子核。对原子核的研究使人类获得了新的能源——核能，并成功地建造了核反应堆，实现了核能的和平利用。
夸克层次是20世纪60年代开始发现并进行研究的。科学家发现夸克是比中子、质子等其他粒子更基本的粒子，中子、质子和其他一些粒子都是由夸克组成的。自那以来，科学家利用能量极高的加速器已经发现了总共6种夸克。夸克层次遵循量子色动力学所描述的规律。
轻子层次的研究早于夸克层次的研究。最初的对象主要是光子和电子，后来发现了μ子和τ子及其与之相对应的三种中微子，即电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。1956年代，杨振宁和李政道在轻子层次上发现了宇称不守恒，10年后温伯格等科学家又建立了描述轻子运动规律的电弱统一理论。电弱统一理论，顾名思义就是把电磁相互作用和弱相互作用统一起来的理论，也称为标准模型。
宇宙层次的研究是建立在广义相对论的理论和河外星系谱线红移、3K微波背景辐射等天文观测基础之上的。广义相对论第一次实现了把宇宙作为整体进行的研究；河外星系谱线红移和哈勃定律表明宇宙在膨胀；K微波背景辐射表明宇宙早期曾处于高温高密的状态，宇宙诞生于热大爆炸。今天，广义相对论所预言的黑洞也获得了观测上的间接证实。
以上五个物质层次的空间跨度从最小10-19米到最大1010光年（约1017米），相差1036倍。但是，这五种物质层次之间的本质区别，不在于它们空间范围的大小，而在于物质层次中起主导因素的相互作用的不同。例如，在宇宙层次，最重要的是引力相互作用；在原子分子层次，最主要的是电磁相互作用；在原子核和夸克层次，最主要的是强和弱相互作用；在轻子层次，最主要的是弱和电磁相互作用。人们正是通过对这五个物质层次的研究，认清了自然界相互作用的四种基本形式。
在宇宙层次上，1917年爱因斯坦发表了题为“根据广义相对论对宇宙学所作的考查”的论文，开创了在理论上把宇宙作为物理整体进行研究的先河，成为现代宇宙学诞生的标志性文献。1946年，美籍俄国物理学家伽莫夫首次将广义相对论和原子核理论联系在一起，探索宇宙膨胀和宇宙元素丰度二者的起源，提出热大爆炸宇宙学模型。1965年，由彭齐亚斯和威尔逊发现的3K微波背景辐射成为热大爆炸宇宙学模型的最有力的支持。自那以来，热大爆炸宇宙学模型已成为宇宙学理论研究的主流，因而被称之为标准宇宙模型。20世纪80年代，在热大爆炸宇宙学模型的基础上又提出了描述极早期宇宙的暴胀理论和试图解释宇宙起源的量子宇宙学。
1989年，美国发射了“宇宙背景探测器”COBE。1990年，发送回来的最初一批探测资料表明，微波背景辐射与2.730K的理论曲线吻合程度达到99.75%。1992年COBE卫星探测到的背景辐射的不均匀性与热大爆炸宇宙学模型所需的极早期中的暴胀理论相符。
根据热大爆炸宇宙学模型，我们已经比较有把握地对宇宙的结构宇宙的运动和宇宙的演化作出说明。宇宙具有均匀和各向同性的结构，宇宙作为一个整体正在膨胀。宇宙起源于高温高密、每个空间点都在进行着（没有中心）的大爆炸。自宇宙大爆炸时刻起宇宙开始膨胀，随着膨胀，宇宙的密度减小，宇宙的温度降低。大爆炸后的第百分之一秒，温度降到摄氏一千亿度，宇宙中有电子、正电子、中微子、光子和少量的质子、中子等基本粒子，每10亿个光子（或电子或正电子或中微子）对应一个质子或中子；大爆炸后的第180秒，温度降到摄氏10 亿度，质子和中子组合成氦原子核；大爆炸后的70 万年，温度降到摄氏4000度，电子和原子核结合成原子，以后形成星系和恒星；今天已是大爆炸后的150亿年，温度不到摄氏零下270度（3K）。
那么宇宙的未来将是怎样的呢？这决定于宇宙现在的物质密度。如果物质密度等于或小于一个临界密度，宇宙将永远膨胀下去；如果物质密度大于这临界密度，宇宙膨胀到一定程度后会渐渐减慢膨胀的速度并由膨胀转为收缩，最终回到像大爆炸时刻那样的高温高密状态。1998年，科学家发现宇宙目前正在加速膨胀，看来宇宙很可能会永远膨胀，宇宙的演化是没有尽头的。
2、 走向统一之路
沿着相对论和量子力学所指引的道路，在20世纪中的大半个世纪，人们开始寻找更高层次的统一，即自然力的统一或相互作用的统一。迄今为止已经发现的自然力，只有4种，即强力、电磁力、弱力和引力。这4种力或4种相互作用无论是强度还是力程都大相径庭，初略看来，似乎毫无统一的基础。但是，背后真的没有统一的机制吗？爱因斯坦不这么看，他认为追求自然界的统一，不仅是一个科学家的神圣的职责，而且科学家有这个能力。他说：“我们能否果真希望找到一条正确的道路？不仅如此，这条正确的道路除了作为我们的幻想以外是否还有存在的余地呢？我们能否希望由经验来指引我们走向这条正确的道路，如果确有那些在很大程度上对经验能下正确判断但并没有追溯到事物根源的理论（例如经典力学）存在？我可以毫不犹豫地回答说，根据我的意见，确实有一条正确的道路，而且我们有能力去找到它。”事实上，爱因斯坦在创立广义相对论后就一直在致力于电磁相互作用和引力相互作用的统一，虽然并未成功，但是他始终认为，以后一定会有人继续他未竟的事业。爱因斯坦没有讲错，在统一之路上自有后来人。
就在爱因斯坦去世的这一年（1955年），杨振宁创立了规范对称理论。根据规范对称理论知道，强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用都是由规范对称这个原则支配的，因为这4种相互作用对应4种力，所以杨振宁把它叫做对称支配力。既然4种相互作用都受规范对称支配，那么4种相互作用就有可能在规范对称的原则下统一起来。
1969年，温伯格和萨拉姆在规范对称理论基础上率先实现了弱相互作用和电磁相互作用的统一。弱电统一理论有一个重要的预言，那就是在有弱相互作用和电磁相互作用的基本粒子反应中，例如，电子和中微子的散射过程中，应该存在中性流。中性流是由Z这种中性粒子形成的粒子流。除了中性流外还有由W和W传递的带电流。W、W和Z都是规范粒子。1982年，西欧中心的一个实验小组在一台质子与反质子对撞机从140000个碰撞事例中，经过计算机筛选，终于找到5个事例可以确认W粒子的产生。1983年，西欧中心又找到了6个Z粒子产生的事例。实验上测得的这三个粒子的质量，与理论完全符合。弱电统一理论得到了实验的证实。温伯格和萨拉姆因此获得1979年诺贝尔物理学奖。
弱电统一的成功增大了把4种相互作用全部统一起来的信心。20世纪70年代，建立了在SU（5）群数学基础上把强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用统一起来的理论，称之为SU（5）大统一理论。
SU（5）大统一理论能够说明对强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用已有的认识，但是它的二个重要预言：质子衰变和存在磁单极子，一直未为实验证实。当前实验上给出的质子的寿命几乎是无限地长的，因为质子的半衰期大于1 亿亿亿亿年，但是在大统一理论里，质子的半衰期小于1亿亿亿亿年。至于磁单极子，大家都没有看到过。因为磁南极总是和磁北极相伴着的。尽管著名物理学家狄拉克在1937年曾经提出过可能存在磁单极子的假说，但是人们并没有认真对待这个假说。现在，大统一理论再次提出存在磁单极子的假说，导致很多实验室努力地去寻找磁单极子，至今没有找到。看来SU（5）大统一理论不是一个合理的大统一方案。
大统一理论虽然在今天仍存在许多困难，但是很多科学家并不认为应该放弃统一的思想。例如，杨振宁就认为统一是个方向，目前的问题，很可能是因为对称的概念还没有得到很好的扩大。他在谈到对称与相互作用统一理论的关系时说：“今天还未能解决的问题，很可能是出于我们还未把对称这个概念推广到头。最近这20多年来，推广与再推广对称的概念已变成一个热门的课题。1973年，有人提出来一个非常巧妙的数学结构，叫做超对称。1976年，有人提出来一个新的对称概念，叫做超引力。它与超对称虽然不一样，可是有密切关系。1984年又有人提出了超弦。其实，所有这些发展方向的精神都是一样的，就是要把今天我们已扩大到相当大的、前所不能想象的一些对称观念再扩充一下。……其前途如何，我们现在还不敢讲。不过，假如你去问一个研究基本物理的人，这个总的方向——希望把对称的观念再扩充一点，再延展一下，通过这些努力企图来解决一些我们现在尚未解决的问题，是不是一个正确的方向呢？我想90%的人都会觉得这是一个正确的方向，虽然这个正确方向中的一些细节要向何处走，尚在摸索之中。”（杨振宁，自然杂志，1995年10月，257页）
科学不会停止发展，21世纪的物理科学正面临新的突破。尽管相对论和量子力学各自都很成功，而且在量子场论等领域它们也被结合在一起。但是，最近10多年来，在相对论和量子力学的发展过程中却出现了不协调。正如温伯格所说，现在发现“量子力学和狭义相对论几乎是不相容的，它们在量子场论里的调和为粒子的相互作用方式带来了有力的限制”。（S·温伯格，《终极理论之梦》，湖南科学技术出版社，2003年，第114页）量子力学和相对论的不协调主要表现为：相对论是定域性理论，而量子力学却是非定域性理论。量子力学的非定域性是近十年来量子力学实验上最重要的进展。量子力学的非定域性主要表现为一个十分奇特的现象——量子纠缠（entanglement），即在一个量子系统的两个远距离部分之间的存在关联，而相对论则认为是不可能存在这种关联的。量子纠缠现象目前已经得到贝尔定理和艾思贝克特实验的支持。（关于量子纠缠我们在本章第五节将较为详细地介绍）
李政道不久前在复旦大学演讲时说，也提到了物理科学所面临的问题。他认为，当代科学的大问题，在宇宙学里有两个，一个是类星体，一个是暗物质；在粒子物理学里有两个，一个是对称破缺，一个是看不见的夸克。若能了解这些问题，将对21世纪的科学发展产生重大作用。
李政道指出，类星体问题实际上是一个能量机制问题。天文观测发现，新
星的亮度能在瞬间超出太阳1—10万倍，超新星又比新星亮1—20万倍。然而，类星体更厉害，其亮度是1000个银河系亮度的总和。自1961年发现类星体至今还不知道它的能量机制，只知道它远远超过核能。在1987年又发现类星体的亮度突然增加了一倍，其原因迄今尚不清楚。通过类星体问题的研究，期待着找到比核能强大得多的能量机制。暗物质问题是关于物质是否存在未知形态的问题。天文观测发现银河系的星系群里有3/4的物质是看不见的，用光学、红外、放射等手段都不能测算其能量。寻找暗物质并观测它的性质，将会对物质的结构乃至物质本身有更深刻的认识。
粒子物理学中的对称破缺问题与未知的力有关。粒子物理学中的许多理论，如量子色动力学、爱因斯坦的广义相对论，都是源于对称的。可是我们的世界又是不对称的。这表明除了已经知道的强力、电磁力、弱力和引力外可能存在未知的力，这个力是引起对称破缺的原因。如果我们了解这个力，就有可能知道对称破缺的机制，就能知道不对称性的起源，进而就有可能了解质量（包括暗物质）的来源。夸克问题既是物质结构问题也是能量机制问题，按照粒子物理学的现有理论，所有的强子、核子都是由夸克构成的，但是在实验上迄今未观测到自由夸克。究竟有没有夸克，把夸克结合成强子的能量机制是否特殊，这两个问题都是极为根本的问题。
为了解决量子力学和相对论的协调问题、相互作用的统一问题和李政道谈到的四大问题，物理学界正在进行着艰难的探索。其中被人们誉为“ 从21世纪偶然地掉入20世纪的物理学”——M理论成为最大的热门。
M理论是从10维超弦理论发展而来的，它至今还没有确定的名称。M是取Magic（魔术）、Mystery（神秘）、 Marvel（惊奇）、 Membrane（膜）、 Martic（矩阵）、 Mother of all theories（万理之母）的第一个字母而来。
M理论认为构成我们世界的基本组元是具有超对称性的超块（brane或
nugget），超块是既包含1维的弦，又包含2维的膜，还包含3维及高于3维的物质实体。在M理论中时空是11维的，其中1维时间、10维空间。M理论的空间比现实空间的3维多了7维，多余的7维称为额外空间。额外空间一般应紧致化，紧致化后的空间其线度大小是普朗克长度，所以我们观测不到，所能观测到的4维时空，正是我们的现实世界。M理论有一个特殊的性质——对偶性，所谓对偶性是说在M理论框架内，各种形式的超弦理论能给出同样结果。
目前，M理论对于四个相互作用的统一已经有了较为合理的说明，对于宇宙起源问题也提出了新的观点，形成了M理论宇宙学，在M理论宇宙学中，把我们生活的膨胀3维空间宇宙作为在更高维的时空中运动的一个片或区域壁，而宇宙起源于量子真空。