物理学前沿问题探究Word文件下载.docx

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光学显微镜,使生物学拥有了细胞学说;

蒸汽机,引发了工业革命;

引力理论,成为了太空航行的理论依据;

电力的发现,让化学出现了新的分支——电化学;

能量守恒定律,使人们不在盲目建造永动机;

热力学第二定律,指出了时间的方向性;

电子显微镜,使生命科学进入分子生物学时代;

电子计算机,引领世界进入信息时代;

将来,量子通信,量子计算机,必将使世界进入全新的量子时代!

我相信物理学必将继续引领世界前进的步伐,但是其基础是一个个前沿难题的解决或新发现,物理领域有着大量的前沿课题,相信我们年轻的一代,以及其他未来的科学家必将在这些方面有所建树。

下面我将对这些疑难问题做一个概述:

1、关于整个宇宙和天体的创生和演化

宇宙起源问题、黑洞的研究、宇宙年龄问题、宇宙有怎样的结构、暗物质、暗能量、类星体的结构、引力波的存在问题、太阳系诞生问题、地-月创生和演化、生命起源于哪里、外星生命是否存在、宇宙加速膨胀之谜……

2、微观世界中物质结构和基本粒子的相互作用及其运动规律

物质深层结构之谜（质子自旋危机）、概率论和决定论的争论、统一场论的最终导出（大统一、超统一）、超弦、真空不空问题、量子计算机、量子隐形传态、量子非局域性、量子论与相对论之矛盾、狭义相对论与超光速疑难……

3、宏观范围内的非线性复杂性问题

自组织与耗散结构、分形与分维、多体问题、混沌理论、孤立波、

湍流、高温超导、超流、纳米材料、凝聚态物理、人工智能和神经计算……

其实我们研究这一切的最终目的,是理解我们所身处的宇宙,明白自己从何处来,到何处去,理解我们生活中的一切现象。

最近我们对这些问题的研究又有了新进展,下面我将举例介绍几个问题及其最新进展,部分内容为引用

1、大型强子对撞机

当前世界上能量最高的强子对撞机位于瑞士日内瓦,由欧洲核子研究中心建造的大型强子对撞机将投入运行,届时将成为世界上能量最高的强子对撞机,它能使质子-质子在14TeV的质心能下对撞。

大型强子对撞机磁体高16米,长、宽均有10多米,重达1920吨。

工程技术人员专门建造了一个巨型吊架,用4根粗钢缆吊住这个磁体,借助液压顶泵将磁体缓慢放入隧道。

它长达27公里的环形隧道可被用来加速粒子,使其相撞,创造出与宇宙大爆炸万亿分之一秒时类似的状态。

在高能物理实验中,粒子加速器和探测器是常用设备。

探测器用来探测碰撞产生的微小粒子,记录粒子能量、质量等信息。

强子对撞机上共有4个对撞点,各装有一个探测器,其中一个为CMS（紧凑型μ介子螺线管）探测器。

下面引用李淼（中科院理论物理所）在《大型强子对撞机的事实和神话》中的一段话:

“位于日内瓦的欧洲核子中心一直是高能物理（或粒子物理）的实验中心之一,有时在某种意义上甚至是惟一的。

着手建造于1997年的大型强子对撞机（LHC）终于在本月10日当地时间上午9点半注入第一束粒子,标志着以LHC为中心的新的粒子物理纪元的开始。

“目前物质结构的最完美的理论,叫做标准粒子模型,还剩下最后一个粒子没有被发现。

这个粒子学术上叫做希格斯粒子,在西方有时被称为上帝粒子,原因是很多基本粒子的质量来源于这个粒子。

例如,如果没有这种粒子,我们就无法解释电子的质量是哪里来的。

粒子物理学家们根据理论推测,上帝粒子应该出现在LHC上的质子（就是氢元素的原子核）和质子对撞瞬间的过程中。

“物理学家们为未来的实验准备了很多五花八门的设想。

例如有一种设想认为,世界比我们想象的还要对称,自然界中每一个基本粒子都有一个隐形的伙伴,叫做超对称伙伴。

例如,电子应该有一个叫做超电子的伙伴,这些伙伴的某些性质和原来的粒子一样,有些性质完全不一样。

例如超电子应该带有和电子一样大的电荷,但自己不像

电子那样不停地自转,它的质量也远远大于电子——这是我们到现在还没有看到它们的原因。

超对称理论还不是最神奇的理论,更加神奇的理论包括大额外维:

在三度空间之外还存在更多的空间维,还有超弦理论:

粒子不是粒子,其实是一根振动的弦。

如果我们足够运气,LHC也许会发现额外维,甚至很多振动的弦。

虽然物理学家们不乏想象力,但大自然的想象力超出任何物理学家,也许,LHC会给我们带来完全意料不到的东西。

”

没错,LHC作为世界上加速能力最高的粒子加速器,终将带给我们一个又一个的惊喜,而希格斯玻色子的发现就是最有力的证明!

LHC是人类科学的又一伟大成果,这一成果又将不断推进人类对自己、对世界、对宇宙的认识,使人类进一步增强自己的能力,让科技不断向前进发!

2、量子计算机

“量子计算机的运算能力到底有多强大?

”这是人们常想到的一个问题。

对此,中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿有这样的比喻:

“电子计算机出现的时候,人类之前赖以使用的运算工具算盘就显得奇慢无比。

与此类似,在量子计算机面前,电子计算机就是一把不折不扣的算盘。

在量子计算机中,基本信息单位是量子比特,运算对象是量子比特序列。

所不同的是,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上,而且还可以处于纠缠态上。

这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,而且还将带来许多奇妙的性质。

与经典计算机不同,量子计算机可以做任意的幺正变换,在得到输出态后,进行测量得出计算结果。

因此,量子计算对经典计算作了极大的扩充,在数学形式上,经典计算可看作是一类特殊的量子计算。

量子计算机对每一个叠加分量进行变换,所有这些变换同时完成,并按一定的概率幅叠加起来,给出结果,这种计算称作量子并行计算。

除了进行并行计算外,量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统,这项工作是经典计算机无法胜任的。

量子计算机将掀起一场划时代的科学革命。

人类一旦掌握了这种强大的运算工具,人类文明将发展到崭新的时代——量子时代。

3、暗物质

它表明我们的宇宙非常神奇,远远超出我们想象。

在宇宙学中,暗物质是指那些自身不发射电磁辐射,也不与电磁波相互作用的一种物质。

1930年初,瑞士天文学家扎维奇发表了一个惊人结果:

在星系

团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。

不过,扎维奇的结果许多人并不相信。

直到1978年才出现第一个令人信服的证据,这就是测量物体围绕星系转动的速度。

我们知道,根据人造卫星运行的速度和高度,就可以测出地球的总质量。

根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,就可以测出太阳的总质量。

同理,根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离,就可以估算出星系范围内的总质量。

这样计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。

结论似乎只能是:

星系里必有看不见的暗物质。

那么,暗物质有多少呢?

根据推算,暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。

天文学的观测表明,宇宙中有大量的暗物质,特别是存在大量的非重子物质的暗物质。

据天文学观测估计,宇宙的总质量中,重子物质约占2%,也就是说,宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%,98%的物质还没有被直接观测到。

在宇宙中非重子物质的暗物质当中,冷暗物质约占70%,热暗物质约占30%。

至今我们仍未观测到暗物质,但是我相信有这么多科学家的努力,暗物质之谜最终一定会被揭开。

4、三体问题

三体问题是天体力学中的基本力学模型。

它是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。

现在已知,三体问题不能精确求解,即无法预测所有三体问题的数学情景,只有几种特殊情况已研究。

现在,已经有了十六个特解。

其中十三个是最近才发现的。

要发现三体问题的周期性特解绝非易事——自“三体问题”被确认以来的300多年中,人们只找到了3族周期性特解——拉格朗日-

欧拉族、布鲁克-赫农族和“8”字形族。

塞尔维亚物理学家米洛万·

舒瓦科夫和迪米特拉·

什诺维奇发现了新的13族特解。

他们在著名学术期刊《物理评论快报》上发表了论文,描述了他们的寻找方法:

运用计算机模拟,先从一个已知的特

解开始,然后不断地对其初始条件进行微小的调整,直到新的运动模式被发现。

这13族特解非常复杂,在抽象空间“形状球”中,就像一个松散的线团。

三体问题的研究是一个前沿问题,关系到宇宙学的进一步发展和数学领域的进步,将为宇宙星体间的理论计算产生很大的影响。

甚至国内有一部科幻小说的名字就叫做《三体》!

5、M理论

在“理论物理”中,“M理论”是“弦理论”的一种延展理论。

“M理论”当中指出,描述完整的物理世界一共需要十一个维度,其维度超过“弦理论”所需要的十维,其支持者相信该理论统合了所有五种“弦理论”,并成为终极的物理理论。

原始“M理论”的“M”字是取自于膜的英文,膜理论是一个统一化弦理论当中的建设性设计方案。

不过,由于威腾比他的同行们更加怀疑膜理论的真确性,他最后选择了“M理论”而非“膜理论”作为理论名称。

“M理论”及“弦理论”被猛烈抨击缺乏可预测性及无法验证,质疑“M理论”者,大多数是术有专精的实验物理学家。

虽然进一步的研究不断地加入周边相关理论的数学架构,目前所理解的“M理论”是否是个成功的理论则是大受质疑,特别是其理论的不完备性、预测能力有限,此外物理诠释方向可任人观点而异,而不具备科学的实证客观性。

虽然学习“M理论”需要大量高等物理及数学的背景知识,但由于目前缺乏物理实验的证明,学界普遍认为“M理论”并非物理科学,而是属於哲学的一个分支,在出现确凿实验证据支持之前,无法归类于科学之下,在它冠上“终极物理理论”皇冠之前,必须经过各种严苛的物理实验数据考验。

实际上,“M理论”目前没有任何的预测被实验验证,完全不能被归类于科学的范畴之内,事实上,“M理论”所推导的任何结果,除非实验检验证实其真实性,都应该要被怀疑在真实的物理世界当中高度极可能不会发生,因此,目前而言,采用“根据M理论推导……”一词作为物理论述证据,是一种极度不恰当的举动,因为“M

理论”只是假说,而不是已经验证的物理理论。

6、类星体

类星体,又称为似星体、魁霎或类星射电源,与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一道并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。

绝大多数类星体都有非常大的红移值,根据哈勃定律,它们的距离远在几亿到上百亿光年之外。

观测发现,类星体远远小于一般的星系的尺度。

类星体最初是在射电波段发现的,然而它在光学波段、紫外波段、X射线波段都有很强的辐射,射电波段的辐射只是很小的一部分。

20世纪90年代中期,随着观测技术的提高,类星体的谜团开始逐渐被揭开。

其中一个重要的成果是观测到了类星体的宿主星系,并且测出了它们的红移值。

由于类星体的光芒过于明亮,掩盖了宿主星系相对暗淡的光线,所以宿主星系之前并没有引起人们的注意。

直到在望远镜上安装了类似观测太阳大气用的日冕仪一样的仪器,遮挡住类星体明亮的光,才观测到了它们所处的宿主星系。

越来越多的证据显示,类星体实际是一类活动星系核（AGN）。

而在同一时期,赛弗特星系和蝎虎BL天体也被证实为是活动星系核,一种试图统一射电星系、类星体、赛弗特星系和蝎虎BL天体的活动

星系核模型逐渐受到普遍认可。

这个模型认为,在星系的核心位置有一个超大质量黑洞,在黑洞的强大引力作用下,附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质围绕在黑洞周围,形成了一个高速旋转的巨大的吸积盘。

在吸积盘内侧靠近黑洞视界的地方,物质掉入黑洞里,伴随着巨大的能量辐射,形成了物质喷流。

而强大的磁场又约束着这些物质喷流,使它们只能够沿着磁轴的方向,通常是与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出。

如果这些喷流刚好对着观察者,就观测到了类星体,如果观察者观测活动星系核的视角有所不同,活动星系核则分别表现为射电星系、赛弗特星系和蝎虎BL天体。

这样一来,类星体的能量疑难初步得到解决。

类星体与一般的那些“平静”的星系核不同之处在于,类星体是年轻的、活跃的星系核。

由类星体具有较大的红移值,距离很遥远这一事实可以推想,我们所看到的类星体实际上是它们许多年以前的样子,而类星体本身很可能是星系演化早期普遍经历的一个阶段。

随着星系核心附近“燃料”逐渐耗尽,类星体将会演化成普通的旋涡星系和椭圆星系。

综上所述,我们可以看出,宇宙是神奇的,远远超出我们的想象,我们人类在认识宇宙的道路上仅仅有了个开始,一个接着一个的谜团等着我们去破解,一个接着一个的新见解,必将引发世界一波又一波的变革,让我们拭目以待!

当我们破解了这一个个谜团之后,我们最终将踏进宇宙宫殿的核心,达到我们的最终目标:

完全理解发生在我们周围的事件和我们自

身的存在,正如霍金在《时间简史》中所说的那样:

“如果我们对此找到了答案,则将是人类理性的终极胜利——因为那是我们知道了上帝的精神!

最后,我想对所有对物理学的发展,对开拓人类认识做出过贡献的前辈们致敬:

牛顿、笛卡尔、普朗克、爱因斯坦、狄拉克、薛定谔、波尔、德布罗意……

参考文献:

《大型强子对撞机的事实和神话》（李淼）

《时间简史》（霍金）

《物理学前沿疑难问题的哲学思考》

网络参考:

维基百科

XX百科