令人抓狂的七大物理學(xué)問(wèn)題

1.相對(duì)論

相對(duì)論是物理學(xué)中兩大著名理論之一，是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出的。1905 年愛(ài)因斯坦出版了狹義相對(duì)論，并確定最終宇宙速度極限：光速，稱時(shí)間因某物體移動(dòng)的速度而實(shí)現(xiàn)加速或者減慢。

1916 年愛(ài)因斯坦提出了更廣闊的廣義相對(duì)論。這個(gè)理論建立在狹義相對(duì)論之上，主要解決重力的問(wèn)題，重新定義我們對(duì)重力的理解——通過(guò)大質(zhì)量天體而造成的時(shí)空扭曲。

廣義相對(duì)論最準(zhǔn)確的描述了整個(gè)宇宙中的星系和星系集群的運(yùn)動(dòng)。它還預(yù)測(cè)了奇怪物體的存在，比如黑洞以及引力透鏡效應(yīng)的現(xiàn)象，后者是指光在經(jīng)過(guò)彎曲的時(shí)空中會(huì)發(fā)生彎曲。如下圖中顯示的星系群阿貝爾-1689，因我們所觀測(cè)到的引力透鏡效應(yīng)而聞名。

阿貝爾-1689

2.量子力學(xué)

量子力學(xué)是非常小的領(lǐng)域——亞原子粒子中的主要物理學(xué)理論。該理論形成于 20 世紀(jì)早期，徹底改變了科學(xué)家對(duì)物質(zhì)組成成分的觀點(diǎn)。在量子世界，粒子并非是“小球”，而是嗡嗡跳躍的概率云，它們并不只存在一個(gè)位置，也不會(huì)從點(diǎn) A 通過(guò)一條單一路徑到達(dá)點(diǎn) B。根據(jù)量子理論，粒子的行為常常像波，用于描述粒子行為的“波函數(shù)”預(yù)測(cè)一個(gè)粒子可能的特性，諸如它的位置和速度，而非實(shí)際的特性。物理學(xué)中有些怪異的想法，諸如糾纏和不確定性原理，就源于量子力學(xué)。

3.弦理論

弦理論（以及它的升級(jí)版超弦理論）認(rèn)為所有的亞原子粒子都并非是小點(diǎn)，而是類(lèi)似于橡皮筋的弦。粒子類(lèi)型的唯一區(qū)別在于弦振動(dòng)的頻率差異。弦理論主要試圖解決表面上的不兼容的兩個(gè)主要物理學(xué)理論——量子力學(xué)和廣義相對(duì)論——并希望創(chuàng)造出描述整個(gè)宇宙的“萬(wàn)物理論”。然而這項(xiàng)理論非常難測(cè)試，并需要對(duì)我們目前描繪的宇宙進(jìn)行一些調(diào)整，也即宇宙一定存在比我們所知的四維空間更多的時(shí)空維度。科學(xué)家認(rèn)為這些隱藏的維度可能卷起到非常小以至于我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們。

4.奇點(diǎn)

奇點(diǎn)是指時(shí)空開(kāi)始無(wú)限彎曲的那一個(gè)點(diǎn)。科學(xué)家認(rèn)為奇點(diǎn)存在于黑洞中央，一個(gè)奇點(diǎn)可能自宇宙大爆炸起宇宙如何開(kāi)始的起點(diǎn)。比如，在黑洞內(nèi)部，所有恒星的質(zhì)量都在狹小的空間內(nèi)壓縮，甚至可能成為一個(gè)單一的點(diǎn)。當(dāng)代物理學(xué)理論認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)是無(wú)限密集，盡管科學(xué)家認(rèn)為它是因廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的不一致而導(dǎo)致物理學(xué)崩潰的產(chǎn)物。事實(shí)上，科學(xué)家懷疑奇點(diǎn)是非常密集，但并非無(wú)限密集。

5.不確定性原理

德國(guó)物理學(xué)家海森堡 1927 年提出的不確定性原理是量子力學(xué)的產(chǎn)物。這項(xiàng)原則陳述了精確確定一個(gè)粒子，例如原子周?chē)碾娮拥奈恢煤蛣?dòng)量是有限制。這個(gè)不確定性來(lái)自兩個(gè)因素。首先測(cè)量某東西的行為將會(huì)不可避免地?cái)_亂那個(gè)事物，從而改變它的狀態(tài)。其次，因?yàn)榱孔邮澜绮皇蔷唧w的，但基于概率，精確確定一個(gè)粒子狀態(tài)存在更深刻、更根本的限制。

6.薛定諤的貓

“薛定諤的貓”是由奧地利物理學(xué)家薛定諤于 1935 年提出的理想實(shí)驗(yàn)的名字，它描述了量子力學(xué)的真相：粒子的某些特性無(wú)法確定，直到測(cè)量外力迫使它們選擇。整個(gè)實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的：在一個(gè)盒子里有一只貓，以及少量放射性物質(zhì)。在一小時(shí)內(nèi)，大約有 50% 的概率放射性物質(zhì)將會(huì)衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，剩下 50% 的概率是放射性物質(zhì)不會(huì)衰變而貓將活下來(lái)。

根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，在盒子里必將發(fā)生這兩個(gè)結(jié)果之一，而外部觀測(cè)者只有打開(kāi)盒子才能知道里面的結(jié)果。但在量子力學(xué)的怪異世界里，貓到底是死是活都必須在盒子打開(kāi)后，外部觀測(cè)者“測(cè)量”具體情形才能知曉。當(dāng)盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)則一直保持不確定性的狀態(tài)，貓既是死的也是活的。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)旨在論證怪異的量子力學(xué)，當(dāng)它從粒子擴(kuò)大宏觀物體，諸如貓，聽(tīng)起來(lái)非常荒謬。

7.量子糾纏

糾纏是關(guān)于量子力學(xué)理論最著名的預(yù)測(cè)。它描述了兩個(gè)粒子互相糾纏，即使相距遙遠(yuǎn)距離，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)。當(dāng)其中一顆被操作（例如量子測(cè)量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”（spooky action at a distance）。但這并不僅僅是個(gè)詭異的預(yù)測(cè)，而是已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中獲得的現(xiàn)象，比如科學(xué)家通過(guò)向兩個(gè)處于室溫的糾纏的小鉆石發(fā)射激光（下圖中綠色）。科學(xué)家希望未來(lái)能夠建造量子計(jì)算機(jī)，利用粒子糾纏進(jìn)行超高速計(jì)算。