物理学中的世界级难题与未解之谜

物理学中的世界级难题与未解之谜

彭亚峰

pengyf5@

2016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”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. 2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. 3万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. 4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. 5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. 6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. 7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的变化，几乎不能预测其流动的状况。由湍流引申出来两个问题，一是物理学中的湍流的机制，一是数学上的N-S方程的求解相关问题。

传说德国科学家海森堡曾经说：“我将带着两个问题去问上帝，相对论和湍流；我真的相信上帝对第一个问题会有答案”。其含义是海森堡自己已经有了关于相对论问题的结果，只是还不能肯定，需要借助于外力；对于湍流的作用机制却一点眉目也没有。从十九世纪上半页发现纳维-斯托克斯方程（简称N-S方程）起计，湍流的形成机制这一难题已经存在一个半世纪了。

在数学上，N-S方程的求解相关问题，于2000年被美国克雷数学研究所列为千禧年大奖难题之一，曾设立百万美元大奖。在大奖的推动下，该问题也未能完全解决。可见其难度之高。

这些问题能得到解决吗？如何解决？这些问题的解决将对物理学产生怎样的影响？

二.物理学中的未解之谜

这些问题对物理学来说，具有及其重要的意义。任何一个问题的真正解决，都将影响物理学，影响人类的认知。当然，有些问题的解决一旦获得实验的验证，还有可能冲击诺贝尔物理学奖。

No. 1暗物质问题

按照万有引力定律，高速旋转星系的中心须有大质量星体或大质量物质，由它们的万有引力提供强大的向心力，否则这样的高速旋转星系就会因为没有足够的向心力而离心远去。观测表明其中心并无可见的星体，有科学家推测这可能是不可见的“暗物质”导致的。

暗物质问题仍然可以归结为引力问题。广义相对论的引力理论能解决这一问题吗？如果广义相对论的引力理论是完善的，它就能够解决该问题；目前仍然没