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当代天体物理学与宇宙学中的未解难题
……这两门学科实际上被尚未解决的问题压得喘不过气来。从历史角度看,宇宙研究经历了多个阶段。我们在此不追溯天文学的发展史。光谱学提供了关于天体成分和温度的重要数据;多普勒效应的测量则使我们能够获得速度场,并测定距离太阳系数十亿倍直径之外的恒星质量。距离标准(造父变星)的发现使距离测量得以扩展至宇宙尺度(约五千万光年)。
……将微分几何工具应用于宇宙学(场方程),使我们得以从新视角审视某些现象(宇宙膨胀、局部相对论效应)。
……核物理的发现使我们能够构建恒星模型。但如上所述,人类原本以为已掌握恒星运行机制,却突然间被彻底质疑。
……同一核物理理论使我们得以回溯更久远的过去,例如解释氦元素的丰度。
然而:
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目前尚无任何关于星系的理论模型。在这一领域,我们仍未超越经验主义阶段。
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我们既不清楚这些天体如何形成,为何具有特定质量而非其他质量,也不了解其演化过程。星系旋转曲线中表现出的高外围速度,至今仍是谜团。
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仅基于数值模拟的螺旋结构理论,仍备受质疑。
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质量测量值与实际速度场之间存在巨大差异(即“缺失质量”现象)。
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星系团也存在类似矛盾。
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存在大量形态极不规则的星系,英国天文学家詹姆斯·金斯爵士曾对此评论道:“当看到如此形态时,人们无法不认为这是宇宙中存在某些强大未知力量的结果。”
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在宇宙学层面,存在关于宇宙年龄的显著分歧:一种是根据银河系最古老恒星估算,另一种是基于膨胀测量(哈勃定律、哈勃常数)。
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我们尚无法解释宇宙在大尺度上的空洞结构——星系围绕着巨大的空洞分布。
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我们已发现大量星系对违反哈勃定律(较近的星系红移反而高于较远的背景星系)。
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我们发现了许多红移极高的光源,其尺寸不超过太阳系,却释放出相当于整个星系的能量(类星体)。其能量来源未知。一些天文学家认为这些是“活动星系核”(塞弗特星系)的中心。但当被问及“活动星系”的定义时,他们回答:“它中心包含一个类星体。”
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平均每天,天文学家都会记录到一次伽马射线闪光。其产生机制、距离和发射体性质均未知。
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与星系及星系团相关的引力透镜效应,所表现出的引力质量远超这些天体本身的可见质量。
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理论预测了大质量恒星的残余物——中子星。通常,当一位理论家提出一个具有远见的预言(如1931年美国物理学家弗里茨·茨维基预言超新星),很快就会发现多个实例,随后是成百上千个:中子星(快速旋转时即形成我们所称的脉冲星)。这些中子星常与另一颗恒星相伴,后者不断向其输送质量,最终必然使其超过“临界质量”(约2.5个太阳质量)。在此条件下,紧密堆积的中子无法再抵抗引力,导致自身坍缩。我们尚无法描述这一坍缩过程。黑洞模型作为场方程的解被提出,但存在一个令人困扰的缺陷:它满足的是
S = 0
即 T = 0 的方程,描述的是能量-物质密度为零的空间区域。此外,该模型的另一个问题在于:尽管过去三十年来我们不断使用黑洞来“解释”各种现象,但真正被确认的黑洞候选者却极为稀少。
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回到宇宙学,标准模型(大爆炸理论)无法解释宇宙早期遗迹——2.7K宇宙微波背景辐射的惊人均匀性。根据该模型,在宇宙诞生初期,两个邻近粒子的分离速度超过光速c,因此它们无法相互作用。这意味着早期宇宙是“非碰撞”的。那么,为何它会如此均匀?
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从某一阶段开始,我们无法再定义时间,向过去回溯。无论如何,由于当前高能物理领域的危机,对极高密度、极高温度状态下的宇宙描述仍面临困难。
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以爱因斯坦方程解为基础的标准模型,无法纳入电磁现象。更广泛地说,粒子物理与宇宙大尺度行为之间的联系尚未建立。尽管存在名为《经典与量子引力》的期刊,但量子化方法尚未能推广至引力理论。我们尚无法定义可能存在的引力子。
五十年的非物理
……科学危机实际上是全面的,并不仅限于天体物理学和宇宙学。量子力学的预测成功令人产生错觉。许多理论领域仍停留在半经验阶段。例如,我们没有任何方法能解释粒子的质量与电荷之间的关系,也无法预测粒子质量。夸克模型令人联想到托勒密的本轮体系,令人不安。量子力学无法解释太阳中微子的缺失问题。
……尽管目前大多数理论物理学家都转向了超弦理论(因缺乏其他想法),但这一“新学科”在过去三十年中,既未能预测任何现象,也未能提出任何可检验的实验设想。正如数学家让-马里·苏里欧(他本人对理论物理的定义是:“数学减去严谨性,物理减去实验性”)所言,我们刚刚经历了“五十年的非物理”。他认为,自费曼(Feynman)在20世纪50年代的工作以来,尚未出现任何真正意义上的理论物理重大突破。
……几年前,他向我展示了一次国际超弦理论研讨会的会议记录,读了该会议开幕辞中的一段话:
- “尽管超弦理论至今尚未预测任何现象,也未能解释任何实验……”