物理學(xué)前沿問題探究

課程名稱:前進(jìn)中的物理學(xué)論文題目：物理學(xué)前沿問題探究學(xué)號(hào)：姓名：年級(jí)：專業(yè)：學(xué)院：完成日期：物理學(xué)前沿問題探究我是南開大學(xué)物理學(xué)院的學(xué)生，自然對(duì)物理學(xué)的前沿問題較一般的同學(xué)有更多的了解，對(duì)這方面也更感興趣，我希望能更多地了解這方面的知識(shí)，以使自己對(duì)物理學(xué)的未來有一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí)。物理學(xué)一一一門非常嚴(yán)肅的科學(xué)，源自哲學(xué)，由于數(shù)學(xué)方法的引進(jìn)而成為一門獨(dú)立的科學(xué)，其終極目的是探知宇宙的精神。我們的物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)為我們認(rèn)識(shí)和改造世界提供了一件又一件法寶:光學(xué)顯微鏡，使生物學(xué)擁有了細(xì)胞學(xué)說；蒸汽機(jī)，引發(fā)了工業(yè)革命；引力理論，成為了太空航行的理論依據(jù);電力的發(fā)現(xiàn)，讓化學(xué)出現(xiàn)了新的分支一一電化學(xué);能量守恒定律，使人們不在盲目建造永動(dòng)機(jī)；熱力學(xué)第二定律，指出了時(shí)間的方向性；電子顯微鏡，使生命科學(xué)進(jìn)入分子生物學(xué)時(shí)代；電子計(jì)算機(jī)，引領(lǐng)世界進(jìn)入信息時(shí)代；將來，量子通信，量子計(jì)算機(jī)，必將使世界進(jìn)入全新的量子時(shí)代！我相信物理學(xué)必將繼續(xù)引領(lǐng)世界前進(jìn)的步伐，但是其基礎(chǔ)是一個(gè)個(gè)前沿難題的解決或新發(fā)現(xiàn)，物理領(lǐng)域有著大量的前沿課題，相信我們年輕的一代，以及其他未來的科學(xué)家必將在這些方面有所建樹。下面我將對(duì)這些疑難問題做一個(gè)概述：1、 關(guān)于整個(gè)宇宙和天體的創(chuàng)生和演化宇宙起源問題、黑洞的研究、宇宙年齡問題、宇宙有怎樣的結(jié)構(gòu)、暗物質(zhì)、暗能量、類星體的結(jié)構(gòu)、引力波的存在問題、太陽系誕生問題、地-月創(chuàng)生和演化、生命起源于哪里、外星生命是否存在、宇宙加速膨脹之謎……2、 微觀世界中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和基本粒子的相互作用及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)之謎（質(zhì)子自旋危機(jī)）、概率論和決定論的爭(zhēng)論、統(tǒng)一場(chǎng)論的最終導(dǎo)出（大統(tǒng)一、超統(tǒng)一）、超弦、真空不空問題、量子計(jì)算機(jī)、量子隱形傳態(tài)、量子非局域性、量子論與相對(duì)論之矛盾、狹義相對(duì)論與超光速疑難……3、 宏觀范圍內(nèi)的非線性復(fù)雜性問題自組織與耗散結(jié)構(gòu)、分形與分維、多體問題、混沌理論、孤立波、湍流、高溫超導(dǎo)、超流、納米材料、凝聚態(tài)物理、人工智能和神經(jīng)計(jì)算……其實(shí)我們研究這一切的最終目的,是理解我們所身處的宇宙，明白自己從何處來，到何處去，理解我們生活中的一切現(xiàn)象。最近我們對(duì)這些問題的研究又有了新進(jìn)展，下面我將舉例介紹幾個(gè)問題及其最新進(jìn)展，部分內(nèi)容為引用1、大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)當(dāng)前世界上能量最高的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于瑞士日內(nèi)瓦，由歐洲核子研究中心建造的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將投入運(yùn)行,屆時(shí)將成為世界上能量最高的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，它能使質(zhì)子-質(zhì)子在14TeV的質(zhì)心能下對(duì)撞。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)磁體高16米，長、寬均有10多米，重達(dá)1920噸。工程技術(shù)人員專門建造了一個(gè)巨型吊架，用4根粗鋼纜吊住這個(gè)磁體，借助液壓頂泵將磁體緩慢放入隧道。它長達(dá)27公里的環(huán)形隧道可被用來加速粒子，使其相撞,創(chuàng)造出與宇宙大爆炸萬億分之一秒時(shí)類似的狀態(tài)。在高能物理實(shí)驗(yàn)中，粒子加速器和探測(cè)器是常用設(shè)備。探測(cè)器用來探測(cè)碰撞產(chǎn)生的微小粒子,記錄粒子能量、質(zhì)量等信息。強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上共有4個(gè)對(duì)撞點(diǎn)，各裝有一個(gè)探測(cè)器，其中一個(gè)為CMS（緊湊型u介子螺線管）探測(cè)器。下面引用李淼（中科院理論物理所）在《大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的事實(shí)和神話》中的一段話：“位于日內(nèi)瓦的歐洲核子中心一直是高能物理（或粒子物理）的實(shí)驗(yàn)中心之一，有時(shí)在某種意義上甚至是惟一的。著手建造于1997年的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）終于在本月10日當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午9點(diǎn)半注入第一束粒子，標(biāo)志著以LHC為中心的新的粒子物理紀(jì)元的開始?！澳壳拔镔|(zhì)結(jié)構(gòu)的最完美的理論，叫做標(biāo)準(zhǔn)粒子模型，還剩下最后一個(gè)粒子沒有被發(fā)現(xiàn)。這個(gè)粒子學(xué)術(shù)上叫做希格斯粒子，在西方有時(shí)被稱為上帝粒子，原因是很多基本粒子的質(zhì)量來源于這個(gè)粒子。例如，如果沒有這種粒子，我們就無法解釋電子的質(zhì)量是哪里來的。粒子物理學(xué)家們根據(jù)理論推測(cè),上帝粒子應(yīng)該出現(xiàn)在LHC上的質(zhì)子（就是氫元素的原子核）和質(zhì)子對(duì)撞瞬間的過程中?！拔锢韺W(xué)家們?yōu)槲磥淼膶?shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了很多五花八門的設(shè)想。例如有一種設(shè)想認(rèn)為,世界比我們想象的還要對(duì)稱，自然界中每一個(gè)基本粒子都有一個(gè)隱形的伙伴，叫做超對(duì)稱伙伴。例如，電子應(yīng)該有一個(gè)叫做超電子的伙伴，這些伙伴的某些性質(zhì)和原來的粒子一樣，有些性質(zhì)完全不一樣。例如超電子應(yīng)該帶有和電子一樣大的電荷，但自己不像電子那樣不停地自轉(zhuǎn)，它的質(zhì)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子一一這是我們到現(xiàn)在還沒有看到它們的原因。超對(duì)稱理論還不是最神奇的理論，更加神奇的理論包括大額外維:在三度空間之外還存在更多的空間維，還有超弦理論:粒子不是粒子，其實(shí)是一根振動(dòng)的弦。如果我們足夠運(yùn)氣，LHC也許會(huì)發(fā)現(xiàn)額外維，甚至很多振動(dòng)的弦。雖然物理學(xué)家們不乏想象力，但大自然的想象力超出任何物理學(xué)家，也許,LHC會(huì)給我們帶來完全意料不到的東西?！睕]錯(cuò),LHC作為世界上加速能力最高的粒子加速器，終將帶給我們一個(gè)又一個(gè)的驚喜，而希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)就是最有力的證明！LHC是人類科學(xué)的又一偉大成果，這一成果又將不斷推進(jìn)人類對(duì)自己、對(duì)世界、對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，使人類進(jìn)一步增強(qiáng)自己的能力，讓科技不斷向前進(jìn)發(fā)！2、量子計(jì)算機(jī)“量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力到底有多強(qiáng)大？”這是人們常想到的一個(gè)問題。對(duì)此，中科院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦有這樣的比喻：“電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的時(shí)候，人類之前賴以使用的運(yùn)算工具算盤就顯得奇慢無比。與此類似,在量子計(jì)算機(jī)面前，電子計(jì)算機(jī)就是一把不折不扣的算盤?！痹诹孔佑?jì)算機(jī)中，基本信息單位是量子比特，運(yùn)算對(duì)象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計(jì)算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質(zhì)。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進(jìn)行測(cè)量得出計(jì)算結(jié)果。因此，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計(jì)算可看作是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量進(jìn)行變換，所有這些變換同時(shí)完成,并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計(jì)算稱作量子并行計(jì)算。除了進(jìn)行并行計(jì)算外，量子計(jì)算機(jī)的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項(xiàng)工作是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法勝任的。量子計(jì)算機(jī)將掀起一場(chǎng)劃時(shí)代的科學(xué)革命。人類一旦掌握了這種強(qiáng)大的運(yùn)算工具，人類文明將發(fā)展到嶄新的時(shí)代一一量子時(shí)代。3、暗物質(zhì)它表明我們的宇宙非常神奇，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們想象。在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)是指那些自身不發(fā)射電磁輻射，也不與電磁波相互作用的一種物質(zhì)。1930年初，瑞士天文學(xué)家扎維奇發(fā)表了一個(gè)驚人結(jié)果:在星系團(tuán)中,看得見的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見的。不過，扎維奇的結(jié)果許多人并不相信。直到1978年才出現(xiàn)第一個(gè)令人信服的證據(jù)，這就是測(cè)量物體圍繞星系轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。我們知道，根據(jù)人造衛(wèi)星運(yùn)行的速度和高度，就可以測(cè)出地球的總質(zhì)量。根據(jù)地球繞太陽運(yùn)行的速度和地球與太陽的距離，就可以測(cè)出太陽的總質(zhì)量。同理，根據(jù)物體（星體或氣團(tuán)）圍繞星系運(yùn)行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系范圍內(nèi)的總質(zhì)量。這樣計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，星系的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于星系中可見星體的質(zhì)量總和。結(jié)論似乎只能是:星系里必有看不見的暗物質(zhì)。那么，暗物質(zhì)有多少呢?根據(jù)推算，暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總量的20-30%才合適。天文學(xué)的觀測(cè)表明，宇宙中有大量的暗物質(zhì)，特別是存在大量的非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。據(jù)天文學(xué)觀測(cè)估計(jì)，宇宙的總質(zhì)量中,重子物質(zhì)約占2%,也就是說,宇宙中可觀測(cè)到的各種星際物質(zhì)、星體、恒星、星團(tuán)、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質(zhì)量的2%,98%的物質(zhì)還沒有被直接觀測(cè)到。在宇宙中非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)當(dāng)中，冷暗物質(zhì)約占70%,熱暗物質(zhì)約占30%。至今我們?nèi)晕从^測(cè)到暗物質(zhì)，但是我相信有這么多科學(xué)家的努力，暗物質(zhì)之謎最終一定會(huì)被揭開。4、三體問題三體問題是天體力學(xué)中的基本力學(xué)模型。它是指三個(gè)質(zhì)量、初始位置和初始速度都是任意的可視為質(zhì)點(diǎn)的天體,在相互之間萬有引力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題。現(xiàn)在已知，三體問題不能精確求解，即無法預(yù)測(cè)所有三體問題的數(shù)學(xué)情景，只有幾種特殊情況已研究?，F(xiàn)在，已經(jīng)有了十六個(gè)特解。其中十三個(gè)是最近才發(fā)現(xiàn)的。要發(fā)現(xiàn)三體問題的周期性特解絕非易事一一自“三體問題”被確認(rèn)以來的300多年中，人們只找到了3族周期性特解一一拉格朗日-歐拉族、布魯克-赫農(nóng)族和“8”字形族。塞爾維亞物理學(xué)家米洛萬?舒瓦科夫和迪米特拉?什諾維奇發(fā)現(xiàn)了新的13族特解。他們?cè)谥麑W(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了論文，描述了他們的尋找方法:運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬，先從一個(gè)已知的特解開始，然后不斷地對(duì)其初始條件進(jìn)行微小的調(diào)整，直到新的運(yùn)動(dòng)模式被發(fā)現(xiàn)。這13族特解非常復(fù)雜，在抽象空間“形狀球”中，就像一個(gè)松散的線團(tuán)。三體問題的研究是一個(gè)前沿問題，關(guān)系到宇宙學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步，將為宇宙星體間的理論計(jì)算產(chǎn)生很大的影響。甚至國內(nèi)有一部科幻小說的名字就叫做《三體》！5、M理論在“理論物理”中，“M理論”是“弦理論”的一種延展理論?！癕理論”當(dāng)中指出，描述完整的物理世界一共需要十一個(gè)維度，其維度超過“弦理論”所需要的十維，其支持者相信該理論統(tǒng)合了所有五種“弦理論”，并成為終極的物理理論。原始“M理論”的“M”字是取自于膜的英文，膜理論是一個(gè)統(tǒng)一化弦理論當(dāng)中的建設(shè)性設(shè)計(jì)方案。不過，由于威騰比他的同行們更加懷疑膜理論的真確性，他最后選擇了“M理論”而非“膜理論”作為理論名稱。“M理論”及“弦理論”被猛烈抨擊缺乏可預(yù)測(cè)性及無法驗(yàn)證，質(zhì)疑“M理論”者,大多數(shù)是術(shù)有專精的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。雖然進(jìn)一步的研究不斷地加入周邊相關(guān)理論的數(shù)學(xué)架構(gòu)，目前所理解的“M理論”是否是個(gè)成功的理論則是大受質(zhì)疑，特別是其理論的不完備性、預(yù)測(cè)能力有限，此外物理詮釋方向可任人觀點(diǎn)而異,而不具備科學(xué)的實(shí)證客觀性。雖然學(xué)習(xí)“M理論”需要大量高等物理及數(shù)學(xué)的背景知識(shí)，但由于目前缺乏物理實(shí)驗(yàn)的證明，學(xué)界普遍認(rèn)為“M理論”并非物理科學(xué)，而是屬於哲學(xué)的一個(gè)分支，在出現(xiàn)確鑿實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持之前,無法歸類于科學(xué)之下，在它冠上“終極物理理論”皇冠之前，必須經(jīng)過各種嚴(yán)苛的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)考驗(yàn)。實(shí)際上，“M理論”目前沒有任何的預(yù)測(cè)被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,完全不能被歸類于科學(xué)的范疇之內(nèi)，事實(shí)上，“M理論”所推導(dǎo)的任何結(jié)果，除非實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)證實(shí)其真實(shí)性，都應(yīng)該要被懷疑在真實(shí)的物理世界當(dāng)中高度極可能不會(huì)發(fā)生，因此，目前而言，采用“根據(jù)M理論推導(dǎo)……”一詞作為物理論述證據(jù)，是一種極度不恰當(dāng)?shù)呐e動(dòng)，因?yàn)椤癕理論”只是假說，而不是已經(jīng)驗(yàn)證的物理理論。6、類星體類星體，又稱為似星體、魁霎或類星射電源，與脈沖星、微波背景輻射和星際有機(jī)分子一道并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。絕大多數(shù)類星體都有非常大的紅移值，根據(jù)哈勃定律，它們的距離遠(yuǎn)在幾億到上百億光年之外。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，類星體遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般的星系的尺度。類星體最初是在射電波段發(fā)現(xiàn)的，然而它在光學(xué)波段、紫外波段、X射線波段都有很強(qiáng)的輻射，射電波段的輻射只是很小的一部分。20世紀(jì)90年代中期,隨著觀測(cè)技術(shù)的提高，類星體的謎團(tuán)開始逐漸被揭開。其中一個(gè)重要的成果是觀測(cè)到了類星體的宿主星系，并且測(cè)出了它們的紅移值。由于類星體的光芒過于明亮，掩蓋了宿主星系相對(duì)暗淡的光線，所以宿主星系之前并沒有引起人們的注意。直到在望遠(yuǎn)鏡上安裝了類似觀測(cè)太陽大氣用的日冕儀一樣的儀器，遮擋住類星體明亮的光，才觀測(cè)到了它們所處的宿主星系。越來越多的證據(jù)顯示，類星體實(shí)際是一類活動(dòng)星系核(AGN)。而在同一時(shí)期，賽弗特星系和蝎虎BL天體也被證實(shí)為是活動(dòng)星系核，一種試圖統(tǒng)一射電星系、類星體、賽弗特星系和蝎虎BL天體的活動(dòng)星系核模型逐漸受到普遍認(rèn)可。這個(gè)模型認(rèn)為，在星系的核心位置有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞,在黑洞的強(qiáng)大引力作用下，附近的塵埃、氣體以及一部分恒星物質(zhì)圍繞在黑洞周圍,形成了一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的巨大的吸積盤。在吸積盤內(nèi)側(cè)靠近黑洞視界的地方，物質(zhì)掉入黑洞里，伴隨著巨大的能量輻射，形成了物質(zhì)噴流。而強(qiáng)大的磁場(chǎng)又約束著這些物質(zhì)噴流,使它們只能夠沿著磁軸的方向，通常是與吸積盤平面相垂直的方向高速噴出。如果這些噴流剛好對(duì)著觀察者，就觀測(cè)到了類星體，如果觀察者觀測(cè)活動(dòng)星系核的視角有所不同，活動(dòng)星系核則分別表現(xiàn)為射電星系、賽弗特星系和蝎虎亂天體。這樣一來，類星體的能量疑難初步得到解決。類星體與一般的那些“平靜”的星系核不同之處在于，類星體是年輕的、活躍的星系核。由類星體具有較大的紅移值，距離很遙遠(yuǎn)這一事實(shí)可以推想，我們所看到的類星體實(shí)際上是它們?cè)S多年以前的樣子，而類星體本身很可能是星系演化早期普遍經(jīng)歷的一個(gè)階段。隨著星系核心附近“燃料”逐漸耗盡，類星體將會(huì)演化成普通的旋渦星系和橢圓星系。綜上所述，我們可以看出，宇宙是神奇的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的想象,我們?nèi)祟愒谡J(rèn)識(shí)宇宙的道路上僅僅有了個(gè)開始，一個(gè)接著一個(gè)的謎團(tuán)等著我們?nèi)テ平?，一個(gè)接著一個(gè)的新見解，