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十三个相对论有关的物理研究问题

THIRTEEN RESEARCHING FIELDS OF RELATIVITY IN PHYSICS

Cheng Xia  2021-02-18   xc7788@gmail.com

物理学主流界也认为，至今，相对论造成了或带来了许多主要的或重要一些研究课题。

有一些相对论有关的重要但尚未解决的物理问题。其中包括理论性的，即现时理论未能够给予观测到的物理现象或实验结果令人满意的解释；还有实验性的，即能够周密测试某先进理论或深入研究某物理现象的实验，不过现时现地很难建造或完成。

1.引力

如何整合量子力学和广义相对论成为完整一致的理论（或许是一种崭新的量子场论)？时空的基本本质是否是连续的，还是离散的？这完整一致的理论是否涉及由一种假定的引力子所传递的作用力，还是从时空离散结构衍生的产物（循环量子引力理论的理论）？在超小尺度、超大尺度或其它极端案例，广义相对论的预测与量子引力理论有什么差异？

2. 黑洞、黑洞信息佯谬、黑洞辐射

理论预期的黑洞热辐射现象是否属实？此种辐射是否带有关于黑洞内部结构的信息，如同规范-重力二元性（gauge-gravity duality）所建议，还是不然，如同史蒂芬•霍金的原本计算？若为不然，则黑洞能够蒸发干净，注意到量子力学并没有给出摧毁信息的机制，那么，储存于黑洞的信息又会怎么样？是否黑洞蒸发到某一程度就会自动停止，只剩下残余黑洞？根据无毛定理，黑洞只有三种属性：质量、电荷量、角动量；除此以外，没有任何内部结构。这定理是否正确？为何尚未找出探勘黑洞内部的方法？

3. 额外维度

大自然是否拥有多于四个时空维度。假若答案为“是”，则到底有多少时空维度？维度是不是宇宙的基本属性，还是其它物理定律的合理结果？物理实验能否观测到更高维度的证据？

4. 多重宇宙

是否有足够的物理理论基础来支持期待其它宇宙的存在，虽然这些宇宙从根本而言是无法观测到的？例如，量子力学的多世界是否存在？在这些宇宙里，在高能量状况，由于使用别种方式破坏物理力的明显对称，所造成的物理定律是否会迥然不同。使用人择原理来消解全局宇宙困境是否正确？

5. 宇宙暴胀

宇宙暴胀理论是否正确？若为正确，这段时期所发生事件的细节为何？这造成暴胀的假定暴胀场（inflation field）到底为何？假若暴胀在过去某一时间曾经发生，有否有可能借着量子力学涨落的暴胀机制，继续自我维持暴胀，因此在宇宙某超远处，这暴胀仍旧正在进行中？

6. 宇宙审查假说

黑洞内部有一个奇点。通常在这奇点的外围有一层事件视界，速度最快的光波也无法逃离到事件视界之外。裸奇点是缺乏事件视界的奇点。由于没有事件视界隔离，物理学者可以观测到裸奇点的物理行为。但是，至今为止，物理学者尚未观测到裸奇点的蛛丝马迹。物理学者怀疑，从实际物理的初始条件是否能形成裸奇点？罗杰•彭罗斯提出的宇宙审查假说表明，这是不可能的事。但是，物理学者还不能证明这假设的任何版本为正确无误。

7. 时序保护猜想

在广义相对论的爱因斯坦场方程的某些解答中，会出现有封闭类时曲线，即粒子移动于时空的世界线为封闭回路，从初始点移动经过一段路程后，又会返回初始点。封闭类时曲线意味着一种时间旅行，能够返回过去的时间旅行。史蒂芬•霍金的时序保护猜想表明，强烈地不允许任何除了微观尺度以外的时间旅行。结合广义相对论与量子力学在一起的量子引力理论，能否排除封闭类时曲线的可能性？

8. 时间箭头

物理学在微观的层次几乎完全是时间对称（time symmetry）的。这意味着，假设将时间流逝的方向倒转，则原本物理定律仍然会保持为正确。但是在巨观层次，时间存在着明显的流逝方向。时间箭头就是用于描述这种不对称的现象。由于时间演进和时间反演而产生的不同物理现象，它们给出的关于时间属性的资料为何？根据CPT对称理论，从CP破坏的证实可以立即断言时间是无法反演的。因此，时间对称性不成立，时间箭头可以建立起来。但是，这方法并不是直接地，而是间接地证实时间对称性不成立。测量基本粒子的内禀电偶极矩实验可以更强烈、更直接地证实这性质。假设基本粒子拥有内禀电偶极矩，则宇称对称性和时间对称性都会被破坏。

另外一个衍生的问题是，为什么CP破坏只有在某些弱相互作用的衰变中才能观测得到，例如K介子衰变（kaon decay），而在其它相互作用都观测不到？

9. 定域性原理（principle of locality）与非定域现象

定域性原理表明，物体只会被其紧邻周遭环境事物影响。1935年，阿尔伯特•爱因斯坦等发表EPR吊诡，认为量子力学的基础理论，因为违背了定域性原理，可能不完备。三十年之后，约翰•贝尔提出反驳，主张定域隐变数理论（local hidden variable theory）不能复制量子力学的所有预测。在量子力学里，是否会出现非定域现象？假设非定域现象存在，这是否只局限于贝尔不等式被违背所显露出的量子纠缠；信息、能量或物质能否能以非定域方式的传播？在哪种状况可以观测到非定域现象？非定域现象的存在与否，对于时空的基本结构，有什么含意？非定域现象与量子纠缠有什么关联？如何借着非定域现象来说明量子力学基础性质的正确诠释？

10. 宇宙学常数问题

根据广义相对论，宇宙真空里蕴藏的能量会产生引力场，真空能量密度与宇宙学常数之间的关系 。怎样计算真空能量密度是物理学尚未解决的一个大问题。最简单算法总和所有已知量子场贡献出的零点能，但这理论结果超过天文观测值120个数量级，被惊叹为“物理史上最差劲的理论预测”！为什么从真空能量密度计算出的宇宙学常数，会与天文观测值相差这么大？这问题称为宇宙学常数问题。到底是什么物理机制抵销这超大数值？解决这问题可能要用到量子引力理论。

11. 暗物质

无法用电磁辐射侦测，而是从作用于可见物质与背景辐射 的重力效应连带推断出来的物质，称为暗物质。物理学者尚不清楚什么是暗物质的基本成分？是否与超对称有关？归因于暗物质的天文现象，实际上是否是重力的延伸？

12. 暗能量

暗能量是一种充溢于整个空间的能量的假定形式。暗能量倾向于增加宇宙膨胀速度[。最近完成的关于超过20万座星系的调查，似乎确定了暗能量的存在。但是，物理学者仍旧无法精确地描述与解释暗能量的物理性质。暗能量主要有两种模型：宇宙学常数模型与第五元素模型。每一种模型都有其强点与弱点，尚未有任何实验结果令人信服地显示哪一种模型为正确模型，也可能都不够正确。

13. 基本粒子的惯性质量与重力质量比率

根据广义相对论的等效原理，对于所有基本粒子，惯性质量与重力质量比率为1 。但是，对于很多粒子，并没有任何实验确认这论点。特别而言，物理学者很想知道，具有某巨观质量的反物质，其重量为何？