原始物理问题教学
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　　摘要：原始物理问题作为一种创新的物理教育理论，引领了物理教育研究的方向，体现了物理教育的本原回归，代表了高考物理命题改革的方向，促进了学生物理认知状态的改变。这为物理教育改革的发展提供了新的启示。
　　关键词：原始问题&&& 现象学&&& 认知状态
　　从应试教育向素质教育转变，是物理教育本性的回归，是物理教育的正本清源问题。然而物理教育的“本质”是什么？物理教育的“源头”在哪里？这些物理教育中最根本的问题，至今没有明确的回答。原始物理问题教学理论的提出，使得我们能够直接与物理现象相接触，让我们得以面对原汁原味的物理现象进行教学研究与探索，从而打开了一扇尘封已久的物理教育领域之门，进入到了一个物理教育研究的新天地。在一定意义上，原始物理问题的提出，是近30年来我国物理教育领域涌现出的能够反映物理教育本质的教育理论，是物理教育理论的创新。
　　1．原始物理问题教学──物理教育的本原回归
　　原始物理问题的教育思想与现象学理论的基本思想是一脉相承的。作为20世纪西方的一种哲学思潮，现象学的基本理念包括“回到事情本身”和“生活世界”。
　　“回到事情本身”，这一观点表达了现象学研究最根本的准则。现象学认为人们不应该在事物之外寻找事物的本源，当事物向我们显现时，不仅仅只是现象，现象就是事物本身，它意味着人可以在一种直觉的方式当中去把握物体。现象和本质之间没有距离，本质不仅是可以认识的，而且现象和本质是不可分割的
　　“生活世界”的观念来源于胡塞尔（Husserl,1965）的《欧洲科学的危机与先验现象学》著作，胡塞尔认为“生活世界是一个始终在先被给予的、始终在先存在着的有效世界，但这种有效不是出于某个意图、某个课题，不是根据某个普遍的目的。每个目的都以生活世界为前提，就连那种企图在科学真实性中认识生活世界的普遍目的也以生活世界为前提”。[1]
　　现象学的“生活世界”和“事情本身”的理念，改变了我们一直以来站在物理教育外部、远离生活世界来对待物理教育的态度和方式，当我们用现象学的理念走进物理教育来重新审视时，我们发现，物理教育在本质上是实践的，物理教育发生的起点应当是物理现象。活生生的生活世界，是物理教育应该回归的地方。这种理念使我们从抽象、晦涩的“题海战术”中解脱出来，重新返回到物理教育发生着的地方──活生生的物理现象。
　　因此，当现象学融入物理教育之后，就启发我们在物理教育活动中应当关注学生的体验、强调物理教育实践的重要性，追求物理教育意义的实现，重视师生间的主体交互性，注重物理教育反思，寻求对物理现象的理解，注重物理教育的情境性……因为，所有这一切都是在活生生的物理教育的世界中发生着的。这样，原始物理问题教学就成为“通达科学的教育和人生形式”，是物理教育价值实现的源泉。这种对生活世界和物理现象本身的关注，使得物理教育不再是枯燥的、抽象的，而是生动的、丰满的；不是固定的、僵死的教条，而是一种活生生的物理教育世界的展现，是对学生物理知识、物理方法和思维品质的唤醒和触动，是对物理教育价值与意义的追寻。
　　与现象学理论取向不同的是，“中国过去几十年念物理的养成了念死书的习惯。整个社会环境，家长的态度，报纸的宣传都一贯向这个方向引导。其结果是培养了许多非常努力，训练得很好，知识非常扎实的学生，可是他们的知识是片面的，而且倾向于向死的方向走。这是很有害的”。[2]出现这种现象的原因何在？杨振宁教授认为，“很多学生在物理学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的。绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源。一个人不与现象接触不一定不能做重要的工作，但是他容易误入形式主义的歧途；他对物理学的了解不会是切中要害的”。[3]可谓单刀直入，切中要害。
　　杨振宁教授“现象是物理学根源”的观点与现象学“回到事情本身”的基本理念殊途同归。然而，把这种物理教育观点转变为物理教育理论也并非是一件简单的事情，这需要创造性的工作。受到杨振宁教授“现象是物理学的根源”与现象学“回到事情本身”的基本理念启发，我们认为，由于物理教育是物理学的一个组成部分，因此，物理教育的根源同样是物理现象。进一步，我们提出，在物理教育中，与演算对应的具有可操作性的物理教育方式是物理习题教学，而与物理现象对应的具有可操作性的物理教育方式则应当是原始物理问题教学。简言之，解决我国物理教育低效能的根本措施就是要在物理教育中打破习题教学一统天下的传统局面，通过引进原始物理问题，从而达到提高物理教育效能的目的。[4]
　　总之，原始物理问题教学使物理教育从纯粹的知识传授模式中走出来，进入到物理知识传授与应用相结合的新阶段，这使得物理教育更加符合其培养目标。它拓展了人们的物理教育视野，拓宽了物理教育的范畴，进一步增进了人们对于物理教育本质的理解与认识，从而有助于真正实现物理教育目的。
　　2．原始物理问题测试──高考物理命题改革的方向
　　当前，高考物理的命题指导思想，主要表现为对习题的推崇。高考物理命题委员会认为：“做题是非常重要的。我们主张要做题，但并不赞成搞题海战。因为题海战盲目追求解题的数量，不重视解题的质量，使学生根本来不及对习题以及与习题有关的问题进行思考”。[5]
　　众所周知，习题具有许多优点。然而，随着物理教育研究的深入，习题固有的缺陷----即人为性也日益暴露出来。由于从物理现象到习题的抽象过程已经被习题编撰人员完成，因而使物理教育情境的真实性受到破坏，使学生解答习题的认知心理及行为表现与解决实际问题相去甚远。这样，即使“重视解题质量”，也难以有效培养学生的物理能力。
　　长期以来，我国物理教育一直存在着“题海战术”现象，这种情况到目前为止，可以说基本上没有多大改变。虽然许多教师在教育实践中努力纠正这一现象，然而，还应当清楚地认识到，由于高考物理命题委员会对习题的推崇所导致的“题海战术”倾向，至今未能得到很好的解决。
　　应当说，对于原始问题，高考物理命题委员会也有一定程度的认识。比如，1984年的高考题“估算地球大气层的总重量”就是一道很好的原始问题，1994年进行的第二次测试也包含了许多原始问题。对于这种试题，高考物理命题委员会认为：“这类试题可以测出学生较高层次的能力水平，如想象能力、独立分析和解决问题的能力、数学能力、语言表达能力等，对学生的学习潜质有较好的预测作用，有利于选拔学生。但如果用的不恰当，则会带来一些困难。与这种试题类似的题目在高考中应用要十分慎重。到底怎样做才恰当？很值得进一步探讨和研究”。[6]
　　由此可见，对于如何应用原始问题，高考物理命题委员会表现出了投鼠忌器的心态。一方面，充分肯定原始问题“可以测出学生较高层次的能力水平，有较好的预测作用，有利于选拔学生，很值得进一步探讨和研究”。另一方面，又担心“会使平均成绩下降，对中学物理教学的现状造成冲击”，最终得出“高考目前只能以习题式的考题考查学生能力”的结论。[7]
　　正是由于高考物理命题的习题化导向，使得目前的高考不仅未能将学生的物理能力有效地考察出来，而且在一定程度上导致我国物理教育长期存在着低效能状况。有鉴于此，我们尝试进行了运用原始问题考察中学生物理能力的研究。测试题目之一为：轮船减摇──《中国青年报》1990年12月25日报道了我国前往南极的科学考察船“极地号”上发来的专电──“极地号启动减摇装置慢速航行”。报道称：“随着西风带的离去，船体摇动愈发剧烈，……为了减小船体摇动，船上采取了新的减摇措施，为此轮船降低了航速并且改变了航向”。请推导出一个表达式，说明改变轮船的航向和航速，就能达到使轮船摇摆减轻的目的？
　　显然，上述原始问题与物理现象发生了直接联系。与习题不同的是，解决问题所需要的物理量都没有给出，需要学生自己设置。原始问题的呈现没有对物理现象进行抽象。比如，轮船的长、宽、高是否需要考虑？轮船的质量是否需要考虑？甚至这个原始问题属于什么方面的问题，需要应用什么物理定理或定律等？都需要学生自己去深入思考。因此，正是借助于这些过程，原始问题真正有效地考察了学生的物理能力。[8]
　　“轮船减摇”实际上是一个多普勒效应问题。通过改变轮船的航向和速度，来改变轮船接收到的波浪冲击的频率。当然，也可以采用机械波的频率、波长、波速三者之间关系的公式f=v/λ来解决。由于轮船的速度与波浪的速度有一定夹角，因此，需要把波速向船速投影，再应用公式f=v/λ就能使问题得到解决。学生解决问题中的表现如表1：
表1：学生在真实的物理情境中解题情况
问题解决中的表现&&&
1．完全不能解决问题
2．不能正确地使用公式
3．不能正确地进行速度分解
4．其他错误
5．正确地解决问题
　　上表中的数据表明，当把学生置于真实的物理情境中时，他们的物理能力水平便真实地表现出来了（41．25%的学生完全不能解决此问题）；同时，他们所学的知识和科学方法也往往不能有效地运用（30%的学生不能正确地使用公式和方法），这表明学生“运用物理知识和科学方法的能力”较差。如果单纯进行知识（f=v/λ）和方法（速度分解）测验，几乎每个学生都能正确回答。因此，我们认为知识和科学方法是能力的要素，但是只有能够运用的知识和科学方法才具有能力价值。全部学生中仅有20%能正确地解决问题，说明学生的物理能力总体处于较低水平。
　　我们认为，高考物理命题改革的方向就是要逐渐在试题中渗透原始问题。这不仅能将学生的真实能力考察出来，从而区分不同能力的学生，而且真正能发挥高考对中学物理教学的引导作用。
　　高考既具有选拔功能，又具有引导功能。在这个意义上，高考是中学教学的“指挥棒”。在肯定高考积极作用的同时，实事求是地评价高考物理能力理论及命题导向存在的问题，不仅有助于高考物理命题的改进，而且有助于扭转中学物理教育中的“题海战术”现象，这显然具有重要的现实意义和深远的历史意义。
　　3．原始物理问题解决──促进学生认知状态的改变
　　长期以来，我国学生的认知状态大部分处于被组织状态，只有少部分是自组织状态，不能实现自发的转变。对此，美国华盛顿大学的饶毅教授从中西方比较教育的角度评价道：“到国外留学的研究生，很多在创新能力方面有明显不足，常常是只能在别人指导下做研究而不能独立工作、或领导一个实验室开创自己的方向和领域。也就是说，由中国中小学教育提倡、培养和选拔出来的‘好学生’的心态、思维习惯和行为模式到进入科学研究前沿时，就暴露出很大问题”。[9]显然，“不能独立工作”，就说明这些留学生的认知状态大部分处于被组织状态。因此，促进学生认知状态的转变就成为当前物理教育课程与教学改革的重要任务。
　　所谓认知状态，是问题解决者的大脑对问题的组织状态，或者称为问题解决者大脑的“相”。状态，用物理学的术语来讲，就是相。最初人们把物质存在的固、液、气状态称为三种相，以后把“相”的概念加以推广，把具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质称之为“相”，把物质各相之间的相互转变称为“相变”，如铁磁体的磁化前后。更广义的“相”概念则泛指自然及社会系统的不同状态，比如，社会从渐进的演变到革命的爆发就经历了一个相变的过程，群体对某种社会问题的态度也会有突变，即在某个时期大量本来持中立态度的个体突然转为赞成或反对。从这个意义上讲，认知状态就是认知的“相”，认知状态转变也就是认知“相变”。
　　如何在物理教育中促进学生的认知状态从被组织向自组织转变？我们认为，原始物理问题教学是达成这一目标的有效途径。这是因为,物理知识只有在原始物理问题中才有生命力，才能显示出其内涵、色彩，格调，才能显示出其内在的理由、作用和功能，学生学习过的物理概念和规律才能真正活起来，这样才能提高学生学习的效率。通过一定数量的原始物理问题训练，当学生解决实际物理问题时，各种各样解决问题的策略就能够迅速地检索而无须搜肠刮肚地对照做过的题型，才有可能在处理前一个步骤时就能在大脑中预感下一个步骤，根本无须暗暗回忆各种题型再思量其意义。即使学生在进行创造性活动时，也能凭物理知识而非经验去探索到正确的解决途径。所以，正是在这个意义上，我们认为，原始物理问题训练不仅能使学生学到物理知识，而且也能很好地促进学生物理认知状态的发展。
　　为了验证这一观点，我们运用原始物理问题测验工具[10]，采用随机抽样方法，选取了总数为320人的高三学生，对中学生解决原始物理问题进行了研究。结果如图1。
　　学生成绩直方图不是正态分布（或正偏态和负偏态分布），而是呈现协同学的典型双峰分布。这是一个新的结果，它与长期以来人们通常认为的正态分布传统观点有所不同，对于物理教育有新的启示。
　　根据协同学理论，双峰分布可以解释为：大部分学生的物理认知处于较低状态（左侧高峰），即被组织状态；小部分学生的物理认知处于较高状态（右侧低峰），即自组织状态；少部分学生处于从较低物理认知向较高物理认知转变的状态（中间低谷），即临界状态。也就是说，中学生解决原始物理问题的认识状态存在有临界区域。不能跨越临界区域的学生其物理认知状态表现为被组织状态，而跨越临界区域的学生则表现为自组织状态。
　　由于种种原因，我国物理教育较少重视学生认知状态的转变，在促进学生的认知发展上，通常沿用维果茨基的“最近发展区”理论。我们认为，维果茨基“最近发展区”理论所阐述的两种认知发展水平只有量的变化而没有质的区别，它所强调的是认知的水平而不是认知的状态。水平有高低之分而无性质区别，而状态无高低之分却有性质差异。从这个角度来审视认知发展，认知状态就可以较好地加以解释。在物理教育中，初中阶段通常存在着初二教学的“分化”现象，高中阶段通常存在着高一教学的“台阶”现象。对这些现象产生原因的解释，往往是经验性的。而根据双峰分布就可以解释为，这部分学生的物理认知状态处于被组织状态，这是“分化”现象和“台阶”现象产生的根本原因。进一步，我们提出，通过原始物理问题教学，促使双峰分布中处于认知被组织状态（左侧高峰）的学生向认知自组织状态（右侧低峰）转变，是物理教育的重要任务。
　　综上所述,我们认为，原始物理问题既是一种新的物理教育思想、一种新的物理教育理念，一种新的物理教育方式，又是一种新的物理学习方式、一种新的物理教育资源、一种新的物理教育评价。因此，原始物理问题教学是一种创新的物理教育理论。
　　参考文献：
　　[1]倪梁康．埃德蒙德?胡塞尔的现象学：一个历史性的回顾【J】浙江学刊,1994，（4），40―49。
　　[2] [3]杨振宁．杨振宁文集【M】上海：华东师范大学出版社，1998，408―469。
　　[4] 邢红军．原始物理问题教学：物理教育改革的新视域【J】课程?教材?教法，2007，（5），51-57。
　　[5][6][7] 教育部考试中心．高考物理能力考察与题型设计【M】北京：高等教育出版社，1997，90，91，92。
　　[8] 邢红军，陈清梅．论高考物理能力理论与命题导向【J】课程?教材?教法，2007，（11），63-68。
　　[9]饶毅．健全人格与创新精神【N】北京：人民日报，1999．41．7。
　　[10] 邢红军，陈清梅，原始物理问题测量工具：编制与研究[J]课程?教材?教法，2008，（11），59-63。
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3秒自动关闭窗口现代物理学的九大终极问题
现代物理学的九大终极问题
, 10:17 am
潘多拉之盒
在1900年，英国物理学家开尔文勋爵得意地声明道：“在物理上没什么没被发现的重大东西了。剩下的一点未知事物也很容易精确地观测。”但是在接下来的三十年中，量子力学、爱因斯坦的相对论已经颠覆了这个结论。今天，没有物理学家敢断言我们对物理和宇宙的认识“接近完成”。相反，每一个新的发现似乎又打开了又一个“潘多拉之盒”——喷涌出更深更多的物理问题。
这里有我们挑选出来的著名而开放性的物理未解难题。
九、暗能量是什么？
无论天体物理学家如何推敲数字，宇宙的的组成模型已经不需要再加上什么了。但是，虽然重力在时空中向内聚(pulling inward)，宇宙的构造却不断向外延伸——越来越快地向外膨胀。为了解释这一点，天文学家提出了一个看不见的介质通过推开时空来抵消掉重力的影响，这东西就被叫做“暗能量”。在大多广为接受的暗能量模型中，暗能量是一个”宇宙常数“——一个空间的固有属性，拥有”负压力”来把宇宙空间拉开。当空间膨胀时，更多地方被腾出来，然后暗能量随之而入。基于观测到的扩展速度，科学家们认为暗能量总和组成了宇宙70%以上的部分。但竟然没有人知道如何找到它。
八、暗物质是什么？
显然，宇宙中84%的物质不吸收也不发射光线。“暗物质”，正如它的名字一样，无法直接观测，也没法间接探测到。暗物质的存在是从可见物质的重力效应、辐射和宇宙结构理论中推导出来的。这个神出鬼没的物质理论上遍布整个星系，而且应该是弱相互作用的组成部分。世界上已经有几个寻找WIMP的探测器，不过目前还没成功嗅探出来。
七、熵是怎么回事？
时间不断向前流逝，因为宇宙的熵(即它的混乱度)只会增加，并且我们没法扭转这一增加的过程。“熵总是增加”的这一事实涉及这样的逻辑：混乱的物质排列总是比有规则的排列普遍，而且当你改变事物时，它往往会陷入混乱无序 (#耳机线)。但这里的问题是：为什么过去的熵如此之低？换句话说，为什么宇宙在最初是有序的——当大量能量被压挤在狭小的空间中时？
六、平行宇宙存在吗？
天体物理数据表明时空并非弯曲，而可能是”平“的，因此它会延伸下去。如果是这样，我们能够观测到的地方(即我们认为的”宇宙“)只是一个无限大的绗缝多元宇宙(quilted multiverse)中的一块补丁罢了。与此同时，量子力学的法则也推定：每个”宇宙块“(总共大概有10^22^122个宇宙块吧)的粒子排列配置拥有可能性上限，所以，相对于无限的“补丁式宇宙”，肯定会有一些微粒排列重复的宇宙——而且有无限个这样雷同的平行宇宙(里面有完全相同的你我)，也会有只差了一个粒子位置不一样的宇宙，和差了两个粒子的宇宙……到完全不同的宇宙。
这个逻辑有破绽吗？还是说，这种离奇的结论的确无误？这怎么可能？假如正确，我们又会如何证实平行宇宙的存在？
五、为什么物质比反物质多？
为什么物质，比它的电荷相反、自旋方向也相反的双胞胎——反物质粒子的总量更多？反物质，根本上是说是”物质为什么存在“的问题。我们假设，宇宙中的物质和反物质对称相抵，而且在宇宙大爆炸的那一刻物质和反物质一起被生产出来了。但是如果这样的话，两者不会存活到现在：在那时质子和反质子就会互相湮灭，电子和正电子彼此抵消，中子和反中子也这样，——只留下一大堆光子。对于这些东西，我们目前还没法给出一个令人信服的解释。
四、宇宙命运如何？
宇宙的命运很大程度上取决于未知值的参数：Ω——物质和能量在整个宇宙层面上的密度的度量。如果Ω大于1，则时空会封闭在一个巨大的球体中。如果没有暗能量，这样的宇宙会停止膨胀然后开始收缩，最后在“大紧缩”事件中崩溃。 如果宇宙是封闭的，但暗能量真的存在——那么球形宇宙会永远膨胀。
另外，如果Ω小于1，则空间的形状将类似“开放的”抛物面。这种情况下，它的最终命运是“大冻结”接着“大撕裂”：首先，宇宙向外加速，撕裂星系和恒星，只剩下冰冷的残骸物质。在宇宙加速度过大时，会发生之后的事情：加速度大到原子之间的结合力无法再拘束住自己，所有的物质将会分崩离析四处抛散。
如果Ω=1，宇宙会是平稳的，如同所有方向都无穷延伸的平面一样，没有暗能量的话这种状态会永远保持下去，不过会逐渐减速直到停滞。如果暗能量存在并能抵抗扩张的速度，宇宙最终会撕裂自己。
Whatever will be, will be。
三、为什么无法精确测定微小粒子？
在电子、光子之类基本粒子的奇特世界中，所有定律都遵循量子力学。粒子并不像一个小球一样，而是“一阵阵地”分布在一个较大区域中。每个粒子由波函数，或者概率分布来描述。波函数描述了它“可能的”位置、速度和其他特性，但就是没法得出一个确定值。基本粒子具有这个范围内的属性。假如你用实验测定其中一个粒子，你就能得出一个确切位置——因为波函数坍塌的结果。 (婴儿量子力学讲座到此结束)
但是为什么你测量一个粒子、使得它的波函数塌陷并产生具体值？这个问题被称为测不准问题，看起来十分深奥。但我们可以这样理解：粒子的存在取决于观测的结果。
二、弦理论是正确的吗？
物理学家假定所有的基本粒子实际上都是一维的循环(loop)，或者说“串”(string)。每一个粒子都在不同的频率上振动，这样物理解释起来就容易多了。弦理论让物理学家调和了粒子世界的基本法则，并且使用“广义相对论”这一时空理论，来把自然界的四种基本粒子统一到单一的理论框架中。但问题是，弦理论在11或10维宇宙中才起效，比如：具有三个普通空间、六七个压缩空间(compacted spatial)以及一个时间维度——就像一根振动的琴弦一样——组成的世界。这种空间的尺度大概是一个原子核大小的一万亿分之一到十亿分之一那样的数量级，目前根本没有方法来检测，所以弦理论的正确性不得而知。
一、混乱中蕴含着有序吗？
物理学家至今无法精确求解出描述流体行为的方程组——流体包括从水到空气中的所有液体和气体。事实上我们不知道所谓Navier-Stokes方程组是否存在一般解。或者说大概有一种理论能够解释所有的流体，也可能流体理论本身一定隐含着不可知的“奇点”。结果，对于“混乱”物质的法则，人们仍然所知甚少。物理学家和数学家都想知道天气本身是“难以预测”，还是“内在的不可预测”？难道说这些东西超越了数学的范畴，或者只是人们暂时没有找到合理的数学工具而已？
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馆藏&277915
TA的推荐TA的最新馆藏物理学十大难题（未解决）都有哪些?
1.表达物理世界特征的所有（可测量的）无量纲参数原则上是否都可以推算,或者是否存在一些仅仅取决于历史或量子力学偶发事件,因而也是无法推算的参数?
爱因斯坦的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择?想象上帝坐在控制台前,准备引发宇宙大爆炸．“我该把光速定在多少”?“我该让这种名叫电子的小点带多少电荷”?“我该把普朗克常数--即决定量子大小的参数--的数值定在多大”?他是不是为了赶时间而胡乱抓来几个数字?抑或这些数值必须如此,因为其中深藏着某种逻辑?
2. 量子引力如何帮助解释宇宙起源?
现代物理学的两大理论是标准模型和广义相对论．前者利用量子力学来描述亚原子粒子以及它们所服从的作用力,而后者是有关引力的理论．很久以来,物理学家希望合二为一,得到一种“万物至理”--即量子引力论,以便更深入地了解宇宙,包括宇宙是如何随着大爆炸自然地诞生的．实现这种融合的首要候选理论是超弦理论,或者叫M理论--这是其名称的最新“升级版”,M代表“魔法”、“神秘”或“所有理论之母”．
3. 质子的寿命有多长,如何来理解?
以前人们认为质子与中子不同,它永远不会分裂成更小的颗粒．这曾被当成真理．然而在70年代,理论物理学家认识到,他们提出的各种可能成为“大一统理论”--该理论把除引力外的所有作用力汇于一炉--的理论暗示：质子必须是不稳定的．只要有足够长的时间,在极其偶然的情况下,质子是会分裂的．
办法是捕捉到正在死去的质子．许多年来,实验人员一直在地下实验室中密切注视大型的水槽,等待着原子内部质子的死去．但迄今为止质子的死亡率是零,这意味着要么质子十分稳定,要么它们的寿命很长--估计在10亿亿亿亿年以上．
4. 自然界是超对称的吗?如果是,超对称性是如何破灭的?
许多物理学家认为,把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理论要求证明两种差异极大的粒子实际上存在密切的关系,这种关系就是所谓的超对称现象．第一种粒子是费密子,可以把它们粗略地说成是物质的基本组件,就像质子、电子和中子一样．它们聚集在一起组成物质．另一种粒子是玻色子,它们是传递作用力的粒子,类似于传递光的光子．在超对称的条件下,每一个费密子都有一个与之对应的玻色子,反之亦然．
物理学家有杜撰古怪名字的冲动,他们把所谓的超级对称粒子称为“sparticle”．但由于在自然界中还没有观察到sparticle,物理学家还需要解释这种对称性“破灭”的原因：随着宇宙冷却并凝结成现在的这种不对称状态,在其诞生之际所存在的数学上的完美被打破了．
5. 为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数?
这只是因为还没有想到一个可以接受的答案,只是因为除了上下、左右、前后,人们无法想像在更多的方向上运动．这并不意味着宇宙原本就是这样的．实际上,根据超弦理论,肯定还存在着另外六个维数,每一维都呈卷曲状,十分微小,因而无法察觉．如果这一理论是正确的,那么为什么只有这三个维数是伸展开来的,留给我们这个相对幽闭恐怖的空间呢?
6. 为什么宇宙常数有它自身的数值?它是否为零,是否真正恒定?
直到最近,宇宙学家仍然认为宇宙是以一个稳定的速度在膨胀．但最近的观察发现,宇宙可能膨胀得越来越快．人们用一个叫宇宙常数的数字来描述这种轻微的加速．这个常数是否如人们早期所认为的是零,或者是一个非常小的数值,物理学家现在还无法做出解释．根据一些基本计算,这个常数应该很大--是我们观测结果的大约10到122倍．换句话说,宇宙应该以跳跃般的速度在膨胀．而实际情况并非如此,肯定有什么机制在压制这种作用．如果宇宙真是超对称性的,那宇宙常数就该被完全抵消掉．但这种对称性--如果确实存在的话--看来已经破灭．如果这个常数随时间的变化而变化的话,那情况就更加复杂了．
7. M理论的基本自由度（M理论的低能极限是11维的超引力,它包含5种相容的超弦理论）是多少?这一理论理否真实地描述了自然?
多年来,超弦理论最大的弱点是它有5个不同的版本．到底哪一个--如果有的话--描述了宇宙?反对这一理论的人最近已经接受了被称为M理论的最主要的11维理论框架．但情况却因此变得更加复杂．
在M理论前,所有的亚原子粒子都被说成是由微小的超弦组成的．M理论给组成亚原子的物质谱加了一种叫做“膜”（brane）的更为神秘的物质,它就像生理学上的膜一样,但最多有9个维数度．现在的问题是,什么是更基本的物质组成单位,是膜组成了弦还是刚好相反?或者另外存在着一些更基本的物质单位,只是人们没有想到罢了?最后,这两种东西中是否有一种确实存在,或者M理论仅仅是一种迷人的大脑游戏?
8. 黑洞信息悖论的解决方法是什么?
根据量子理论,信息--无论它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗粒组成文件的确切方式--是不会从宇宙中消失的．但物理学家基普·索恩、约翰·普雷希尔和斯蒡芬·霍金却提出了一个固定的假设：如果你把一本大不列颠百科全书扔进黑洞中去,将会发生什么事?宇宙中是否有其他同样的百科全书是无关紧要的．正如物理学中所定义的,信息并不等同于含义,信息仅指二进制的数字,或是一些其他的代码,它被用来精确地描述一个物体或一种方式．所以看起来那些特定的书本里的信息将被吞没,并永远地消失．但人们觉得这是不可能的．
霍金博士和索恩博士相信那些信息确实消失了,而量子力学必须对此作出解释．普雷希尔博士推测信息其实并没有消失；它也许以某种形式显示于黑洞的表面,如同在一个宇宙中的银幕上．
9. 何种物理学能够解释基本粒子的重力与其典型质量之间的巨大差距?
换言之,为什么重力比其他的作用力（如电磁力）要弱得多?一块磁铁能够吸起一个回形针,即使整个地球的引力在把它往下拉．
根据最近的一种说法,重力实际上要大得多．它仅仅是看上去比较弱而已,因为大部分重力陷入了某一个额外的维数度之中．如果我们可以用高能粒子加速器俘获全部的重力,也许就有可能制造出微型黑洞．虽然这看上去会引起固体垃圾处理业的兴趣,但这些黑洞很可能刚一形成就消失了．
10. 我们能否定量地理解量子色动力学中的夸克和胶子约束以及质量差距的存在?
量子色动力学（QCD）是描述强核子力的理论．这种力由胶子携带,它把夸克结合成质子和中子这样的粒子．根据量子色动力学理论,这些微小的亚粒子永远受到约束．你无法把一个夸克或胶子从质子中分离出来,因为距离越远,这种强作用力就越大,从而迅速地把它们拉回原位．
但物理学家还没有最终证明夸克和胶子永远不能逃脱约束．他们也不能解释为什么所有能感受强作用力的粒子必须至少有一丁点儿的质量,为什么它们的质量不能为零．一些人希望M理论能提供答案,这一理论也许还能进一步阐明重力的本质．
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10大物理学难题困扰世界 物理学家们挑选出10个最匪夷所思的物理学问题，解答这些问题足够 让他们忙上100年。尽管没有任何悬赏，不过，对任何一个问题的解答差 不多都能获得诺贝尔奖 【美国《纽约时报》8月15日文章】题：需要两千年思考的十大物理学 问题(作者 乔治·约翰逊) 100年前，德因数学家戴维·希尔伯特在巴黎的国际数学家大会上以一 ...
1.表达物理世界特征的所有（可测量的）无量纲参数原则上是否都可以推算，或者是否存在一些仅仅取决于历史或量子力学偶发事件，因而也是无法推算的参数？
爱因斯坦的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择？想象上帝坐在控制台前，准备引发宇宙大爆炸．“我该把光速定在多少”？“我该让这种名叫电子的小点带多少电荷”？“我该把普朗克常数--即决定量子大小的参数--的数值定在多大”？他是不是为了赶时...
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