现代科学特别是物理学给人们带来了进步,各种理论知识颠覆了人类的认知,把人类的思维带到了一个新的世界。
然而,物理学的发展似乎停滞了一百多年,还有三座难以逾越的大山。也许物理学不能再进步了?
万有引力
重力,顾名思义,是一种用来解释两个物体之间相互吸引力的理论。
在万有引力中,有质量的物体具有恒定的引力,这个引力的大小与物体的体积和质量成正比。
例如,太阳的质量占整个太阳系的99%,其引力范围达到数百亿公里,八大行星围绕太阳旋转。
太阳和8 颗行星
为了防止八颗行星被太阳引力吸进去,它们在自转时会产生离心力,离心力和重力相互抵消,维持了太阳系行星之间的平衡。
同样,行星之间也存在引力,也存在受行星引力影响绕行星旋转的恒星,称为行星的卫星。
最著名的卫星是月球,还有木卫一、木卫二等。
随着物理理论的逐渐深入,人们发现了引力的缺陷。
首先,万有引力只适用于宏观层面上缓慢运动的物体。在微观世界中,原子核之间存在着很强的相互吸引力,这种力的性质无法用万有引力理论来解释。
还有,当一个物体达到一定的速度时,它就不再受到原来的重力的约束,而那时所涉及的重力就变得很奇怪。
特别是,相对论认为,当超过光速时,物体自身的质量和信息就不复存在,也就是说物体自身的引力也消失了。
这违反了万有引力定律,万有引力定律规定一切都具有引力。
根据万有引力理论,牛顿指出“光因重力作用而发生的偏转只有实际观测到的值的一半”。当然,这个值很快就被广义相对论和给定值推翻了。后者更接近现实。
另外,万有引力无法解释,所有物体的引力质量和惯性质量相同,引力被认为是局部可抵消的,引力加速度是无关的。对象组合。
因此,万有引力不能解释宇宙中的一切。许多理论与其他物理学巨头的理论相矛盾。如何将它们结合起来是物理学中的一个难题。
20世纪,世界物理学领军人物组织聚会,出席的物理学家包括爱因斯坦和居里夫人。
居里夫人
这群物理学家处于物理学世界的前沿和顶端,试图将当前的物理理论相互整合。
经过一定的讨论,没有得出结论,但具体原因是各种理论之间的侧重点不同,最终导致它们无法整合。有人推测可能是这样。
还有人认为,目前人类认知还不够,迫切需要全新的认知来连接现有的理论。
无论如何,重力漏洞已经成为人类无法逾越的大山之一。
量子力学
在所有的理论中,我想大家听得最多的就是量子力学。与牛顿的万有引力相反,量子力学主要用于研究微观物质。
量子力学不仅仅是物理学
许多物理学家开始关注这一理论,因为量子力学补充了牛顿的经典力学,科学家也利用量子力学来准确预测未来的科学发现。
著名的实验“薛定谔的猫”是量子力学试图利用微观领域并将其延伸到宏观世界的理论推演。
薛定谔
薛定谔将一只猫放入装有放射性物质的密封盒子中。这种材料有一半的机会会分解并产生有毒气体,毒死你的猫,但也有一半的机会什么也不会发生。
从经典力学的角度来看,猫只有死亡和不死亡两种状态,但在量子力学中却存在不确定的涨落。
观察者打开盒子后才能看到颗粒的形状。如果盒子关着,里面的猫就处于生死存亡的状态。
薛定谔的猫概念
这个实验超出了人类的认知,猫的生与死的叠加违反了客观规律。
随着技术的发展,人们认识到了这种小粒子的叠加状态,证明了量子力学的正确性。
然而,其他理论知识,例如量子纠缠,仍然让许多科学家感到困惑。
量子纠缠是由多个粒子组成的单元,但这个系统不能分解为单个粒子,量子之间维持的奇妙状态称为量子纠缠。
量子纠缠概念图
如果人类测量其中一个粒子,整个系统就会崩溃。这意味着当科学家观察附近的原子时,与其连接的其他远处粒子也会受到影响。
衰变后,粒子仍然是完整的,但在测量时,它从量子纠缠状态中释放出来。
正因为如此,研究粒子的科学家无法用科学的方法来研究粒子,这使得它成为物理学界的又一座大山。
我相信,随着对基本粒子研究的深入,人类终将揭开量子纠缠的秘密。
此外,量子退相干的研究也是物理学界的一个重大问题。
量子概念图
物理学家一直想建造量子计算机,但量子计算机一直只存在于理论上,因为量子叠加态(薛定谔猫)无法长期维持。
爱因斯坦此前曾表达过他对量子力学无法解释宏观现象的看法,他说:“量子力学太小,无法解释宏观问题。”
直到“薛定谔的猫”实验之后,人们才清楚地认识到,只有通过量子叠加态的思考才有可能系统化宏观世界。量子退相干是量子力学描述宏观世界的方式。
科学界也对量子退相干进行了系统的研究,但多年来一直未能取得良好进展,使其成为物理学家理论知识的“绊脚石”。
复杂的标准模型
标准模型也是一套观察微观世界的粒子理论,其主要研究方向是三种基本力和粒子:强力、弱力、电磁力。
粒子是看不见、摸不着的,但它们却无处不在
这三种力加上重力是人类目前所知的宇宙的四种基本力,并且这四种力中存在最强的相互作用力。
目前,还没有技术手段可以分离强相互作用力结合的颗粒。具体来说,很难说清楚这种强相互作用力是一种什么样的结合状态。
粒子概念图
为了详细研究标准模型,日本使用5万吨超纯水进行了大规模实验。
超纯水的制造工艺复杂,储存条件严格,成本极高。
考虑到我们花费大量的精力来研究宇宙中粒子的基本组成,不难看出研究标准模型的重要性。
如果能够突破标准模型的理论研究,我们就能够接近宇宙诞生之谜。
日本超纯水储存地点
经过几十年的观测,宇宙中最神秘的物质————块暗物质的微弱反应终于在5万吨超纯水制成的探测器中被发现。
暗物质本身非常稳定,基本不与其他物质接触,而且是看不见摸不着的,所以即使穿过人体也无法被探测到。
根据理论研究,暗物质可能含有人类未知的粒子,这些粒子由强大的相互作用力组成,被认为占宇宙的85%以上,探索它可能会揭示宇宙本身的奥秘。
暗物质概念图
更详细的研究还需要先进的设备。目前,标准模型研究的焦点已经转移到科学界的另一个难题:暗物质。
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