物理学中的世界级难题与未解之谜

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1、物理学中的世界级难题与未解之谜彭亚峰pengyf5@21cn.com2016年12月15日于北京一.世界级难题当今物理学中存在不少的问题，有些问题非常难以解决而成为世界级难题。有的难题已经历经了三百多年；有的难题在众多科学家的努力下也一筹莫展；有的难题在计算机的辅助运算下也未能破解。划分世界级难题的依据是什么？1900年，数学家希尔伯特曾经提出了数学上的23个难题。物理学中的世界级难题却没有像数学中的23个难题那样有着统一的标准内容。这样就有必要提出一个划分标准。如果一个问题存在长达百年，也就是说大约经过了三四代

2、人的努力仍然未能得到解决，就可以将该问题作为世界级难题了。以下是作者了解到的部分物理学世界级难题。如果您了解更多的内容，欢迎交流探讨。No.1万有引力的作用机制问题众所周知，牛顿于三百多年前发现了万有引力的作用规律。对于引力是如何产生的之问题，牛顿却未能给出答案。20世纪初，爱因斯坦在广义相对论中建立不同的引力理论，指出引力是物质存在影响了空间形变的结果，物体沿弯曲空间中的“直线”运动。广义相对论运用了引力质量与惯性质量等效这一现象与事实，却未能指出为什么；对于暗物质引力问题也束手无策。广义相对论预言的“引力波”

3、虽然已经声称得到了实验的证实，却未指出与万有引力对称的斥力是否存在。爱因斯坦后半生曾致力于研究相互作用的大统一，但未能如愿以偿。量子理论已经提出了近一个世纪，然而量子引力理论仍然未能建立。各种弦理论/超弦理论被认为是最有可能解决四种相互作用的统一理论，但目前仍然未能解决理论面临的各种问题。判断引力理论完善与否的必要条件有：（1）揭示引力的作用机制及其本质。（2）完善引力的性质；解释引力质量与惯性质量等效的根本原因；解决与万有引力对称的斥力是否存在，在什么条件下存在的问题。（3）解决力的统一问题。（4）解决量子引力

4、理论的建立问题。（5）解决暗物质引力问题，明确广义相对论中“引力”的本质。（6）协调各个引力理论，解决理论之间的相融性、兼容性问题。（7）获得并通过实验的检验。根据以上判决条件，可以说经典引力理论、广义相对论的引力理论、量子引力理论、弦理论/超弦理论都是不完善的。既然如此，引力问题就是物理学中重要的未解之谜；它引起了广泛的关注与研究。自牛顿发现万有引力定律以来的三百多年时间里，竟然暂时无人能全面破解引力问题。No.1引力质量与惯性质量相等的根本原因众多实验已经证明引力质量与惯性质量的确相等，但其根本原因仍然未能完

5、全破解。该问题与万有引力的作用机制相关，可以将该问题列为万有引力问题的分支问题。由于破解该问题及其困难，所以也可以单列为一个世界级难题。自1890年厄缶开始用实验来验证这一结论至今，该问题已经存在一百二十年有余。No.2万有引力的对称斥力与“斥力子”问题无论是理论上，还是现实观测中，都未能发现与万有引力对称的斥力。如果引力波被证实，则引力子也就被默认为存在。根据对称性，从理论上讲，与之对称的“斥力波”、“斥力子”也应该存在。然而物质结构的标准模型中只有引力子而无斥力子。这是为何呢？该问题也是与引力相关的问题；遗憾

6、的是该问题的研究并不热门。从引力、斥力的角度，该问题可以从牛顿发现万有引力算起，这一问题已经存在三百多年了；从引力子、斥力子的角度，该问题可以从标准模型中引申出来，则这一问题至少存在了半个世纪。No.3相互作用的大统一问题根据相互作用的表现，物理学将相互作用划分为：万有引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用四种。为什么要统一相互作用力呢？让它存在不是也很自然的事情吗？科学家相信，这四种作用有可能是一种作用在不同条件下的表现。爱因斯坦曾经致力于该项统一工作，但未能如愿。以此计算，该问题已经存在约百年了。如果万有引力的

7、作用机制问题被解决了，相互作用力的统一问题就很有可能得到解决。No.4量子引力理论的建立问题在物理学高度发达的今天，量子引力理论仍然未能建立，不得不说这是物理学的一大遗憾。该问题没有显著的时间作为计算起点，如果以量子理论的建立初期起计，该问题存在约百年了。前述问题都与引力问题相关。可见，如果不解决第一个问题，后续的问题是很难突破的。这就找到了解决这一系列问题的先后顺序；违反这一顺序可能会事倍功半。No.1弦理论及其对力的统一问题弦理论（含超弦理论等各种弦理论）能否实现对相互作用力的统一呢？目前仍然是个未解之谜。弦

8、理论基本上是建立在高深的数学基础上的，非专业学者望尘莫及。该问题自弦理论诞生以来，虽然只有约半个世纪左右，但其难度极高，这里也将其列为物理学的世界级难题之一（这是一个“早产”的世界级难题）。当然，可以将以上问题归纳为两个大问题，一个是引力问题，一个是力的统一问题。No.2湍流的形成机制问题湍流（紊流）是流体中非常混乱的流动现象，常常产生发散或收敛的涡旋，而且这些涡旋会不断