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博文

上海交通大学联合《科学》发布的125个科学问题

已有 1276 次阅读 2021-5-30 08:39 |系统分类:科研笔记

410日,为纪念建校125周年,上海交通大学联合《科学》杂志面向全球征集与发布125个科学问题,既是对既往研究成果的凝练与升华,更是对未来人类发展的激励与引领。本次125问题征集后发行在《125个科学问题——探索与发现》增刊,这是2005年以后,《科学》杂志第二次向全球发布的125个科学问题。这些问题得到了全球科学家、青年学者以及世界顶尖科学家协会的积极响应,问题凝聚了美国科学促进会编辑、诺贝尔奖、沃尔夫奖、拉斯克奖、图灵奖、麦克阿瑟天才奖获得者等全球知名科学家和青年学者,上海交大师生以及社交媒体用户的共同智慧。

博客好友杨正瓴老师把问题网址链接在我的上一篇博文《“黑洞”的盲区》中,我才发现这些问题,作为一个热爱基础物理的学者,我对自己感兴趣的相关问题也发表一些个人观点。这几天正逢两院院士会议暨第十届全国科协代表大会召开,以此博文作为对大会的献礼。这些观点当然只是我的一家之言,水平有限,旨在抛砖引玉。如能听到讨论和批评之声,将是对笔者的莫大的鼓励。

交大问题.jpg

Mathematical Sciences 数学

1.What makes prime numbers so special? 1.什么使素数如此特别?

数集的构成规则是关于加减乘除运算封闭,素数在整数集合内打破了除法封闭性,所以比较特殊。标准的数学问题应该是“什么条件下,什么结论成立吗?”因此这个问题不能算一个标准的数学问题,而是一个哲学和科普问题,因此应该汇编一本《有趣的素数》来回答,例如,素数阶的群一定是循环群;一对传动齿轮的齿数如果互素,则一个齿轮的每一个齿与另一齿轮的每一个齿等机会地接触,否则两个齿轮的某些齿永远接触不到,造成磨损不均。

2. Will the Navier–Stokes problem ever be solved? 2.纳维尔-斯托克斯问题会得到解决吗?

如果把流体力学还原成分子和原子的牛顿力学系统,则只是一个变量很多但数量有限的常微分方程组的定解问题,这个方程组的解是存在且唯一的。但把问题简化成连续介质后,结论反倒不清楚了,变分原理也没有了。除了把这个问题本身作为很难的数学问题研究以外,现在的简化处理方式的合理性也是值得怀疑的,可能存在某种处理微观和宏观物理量之间关系的更合理的平均方法。

3. Is the Riemann hypothesis true? 3.黎曼猜想是真的吗?

个人感觉这个猜想应该是对的。用通常的分析方法估算,复杂程度令人恐怖,直接证明可能很困难。如果能够找到与黎曼ζ(s)等价的实解析函数ξ(x+1/2)存在复根的必要条件,再证明函数ξ(x+1/2)不满足这个条件,就能证明黎曼猜想。我原来建立过一个条件,并证明在实轴领域内ξ(x+1/2)不满足这个条件。但遗憾的是这个条件的有效宽度依赖于ξ函数的导数,而黎曼函数在临界线上的根越来越密,有效宽度越来越窄(反比于ln(x)),覆盖不了临界带。

 

Astronomy 天文学

1. How many dimensions are there in space? 1.空间中有多少个维度?

这主要是一个实际测量问题,因为我们的实际测量只需要3个空间维度和1个时间维度,并没有遇到例外和反常。从理论上看,只有在这个维度的时空中,原子、分子、行星系统和星系的结构才是稳定的。从数学上看,这个维度的空间很特殊,和四元数存在联系,基矢量的矩阵表示具有唯一性和简单性。弦论中关于维度的推断依赖一些荒谬的假设,因此属于主观臆想[1]

2. What is the shape of the universe? 2.宇宙的形状是怎样的?

如果能量密度总是正的,可以证明符合宇宙学原理的空间是3维球面S3,因此现实的宇宙空间应该像一个疙里疙瘩的3维气球[2]

3. Where did the big bang start? 3.大爆炸从何处开始?

如果宇宙很小时存在暴涨过程,或者更直接地说,物质存在自作用势(等价于负压力),可以证明大爆炸不可能存在,宇宙在时间上是循环的[2]

4. Why don't the orbits of planets decay and cause them to crash into each other? 4.为什么行星的轨道不衰减并导致它们相互碰撞?

这是因为太阳系中引力太弱,但实际上还是有小的变化的,例如,由于潮汐就引起了月亮轨道和周期的不断变化。

5. When will the universe die? Will it continue to expand? 5.宇宙何时消亡?它会继续膨胀吗?

在现有宇宙学框架下,这可通过定性分析弗里德曼方程解在各种合理物态方程假设下的整体性质来回答,在关于物质能动量张量很普通的假设下,宇宙必是时间上循环空间上封闭的[2]

6. Is it possible to live permanently on another planet? 6.我们有可能在另一个星球上长期居住吗?

这几乎是不可能的,爱惜地球家园才是最明智的选择,合适的地方老天爷早就安排合适的生物在那里经营了。

7. Why do black holes exist? 7.为什么存在黑洞?

所谓“黑洞”应该就是极端致密的暗星,对“黑洞”的认识存在盲区,“黑洞”的理论证明是非物理的。在与相对论相容的物态方程假设下进行动力学证明才是有效的,但结论应该是否定的。

8. What is the universe made of? 8.宇宙是由什么构成的?

宇宙由时空和物质两大相互作用的系统构成,时空的理论是纯几何学的,而关于物质的最后理论是场论。相对论本质上是关于时空的几何理论,而量子论本质是关于物质属性的场论,爱因斯坦方程给出了它们之间的联系。两个理论研究的对象都不同,认为它们之间存在矛盾的观点是很荒谬的,问题出在现行量子论的基础自相矛盾[1]

9. Are we alone in the universe? 9.我们是宇宙中唯一的生命体吗?

这不是一个理论问题,但大概率应是宇宙中遍布智慧生命,只是彼此相隔遥远,暂时无法沟通。

10. What is the origin of cosmic rays? 10.宇宙射线的起源是什么?

应该是引力坍缩和超新星爆发过程产生的。

11. What is the origin of mass? 11.物质的起源是什么?

物质和宇宙一样是永恒的,不存在起源问题,例如狄拉克方程的解是个L2单位矢量,“概率1”不生不灭,我们关于粒子产生湮灭过程的现行理解自相矛盾。

12. What is the smallest scale of space-time? 12.时空的最小尺度是是多少?

时空的理论是几何学,没什么最小尺度限制。

13. Is water necessary for all life in the universe, or just on Earth? 13.水是宇宙中所有生命所必需的么,还是仅对地球生命?

这也不是一个理论问题,但大概率是对的。

14. What is preventing humans from carrying out deep-space exploration? 14.是什么阻止了人类进行深空探测?

理论上没有限制,但光速限制和宇宙浩瀚限制了人类探索的极限范围。

15. Is Einstein's general theory of relativity correct? 15.爱因斯坦的广义相对论是正确的吗?

时空理论是几何学。真正的疑问是爱因斯坦场方程是否正确?但从作用量原理和标量曲率的唯一性可以看出,这个方程是不容置疑的,因为你没有其他选择[1]

16. How are pulsars formed? 16.脉冲星是如何形成的?

旋转天体都有磁场,而且磁场的极轴和天体的旋转轴是不重合的,中子星和“黑洞”的磁场很强,具有旋转灯塔效应,脉冲星是磁极扫描的结果[3]。与天体磁场相关的一个问题:“地磁翻转”应该是一个伪命题,因为普通物质屏蔽不了地球磁场,观测到的局部古底层磁性与地磁方向不同,应该是地质原因引起的。

17. Is our Milky Way Galaxy special? 17.我们的银河系特别吗?

这个问题不明确。

18. What is the volume, composition, and significance of the deep biosphere? 18.深层生物圈的规模、组成和意义是什么?

这是一个交叉学科问题。

19. Will humans one day have to leave the planet (or die trying)? 19.人类有一天会不得不离开地球吗(还是会在尝试中死去)?

很难离开的,时间还早,但末日总会到来,只有等待宇宙下次轮回时唤醒。

20. Where do the heavy elements in the universe come from? 20.宇宙中的重元素来自何处?

超新星爆发说应该有些道理的

21. Is it possible to understand the structure of compact stars and matter? 21.有可能了解致密恒星和物质的结构吗?

解决这个问题不会太久了。爱因斯坦场方程应该不会有问题,关键是物质的基础理论,两个理论结合就会给出答案。现在的标准粒子模型不合理,最后的物质理论只能回归基本的经典场论。

22. What is the origin of the high-energy cosmic neutrinos? 22.高能宇宙中微子的起源是什么?

高能现象都应该都是起源于引力坍缩和超新星爆发过程,但需要完善的基本物质理论。

23. What is gravity? 23.什么是重力?

重力就是时空弯曲效应。广义相对论并未遇到挑战,一个优美理论是不能轻易怀疑的。理论并非需要经过所有检验才能确认的,一些实验本质上是重复的。

 

Physics 物理学

一些问题是与具体实验相关的技术问题,例如衍射、超导、激光等,我不具备相应的经验,因此没有明确的观点。只就思考过的问题发表一点看法。

 

5. What are the smallest building blocks of matter? 5.什么是物质的最小组成部分?

微观粒子不同于“质点”、“刚性球”、“弹性球”之类的宏观模型。像电子绕着原子核旋转的“行星模型”是一种错误认识。一个基本粒子只能用一组完整的旋量场来描述,方程中的系数,相互作用场,决定了粒子的所有性质。只有对这些场量和方程进行彻底的分类研究,才能发现物质最小的基本单元,这不是唯象的夸克理论假定所能确定的[1]

6. Will we ever travel at the speed of light? 6.我们会以光速行驶吗?

这是不可能的,违反时空几何。

7. What is quantum uncertainty and why is it important? 7.什么是量子不确定性,为什么它很重要?

没什么量子不确定性。一个需要用场方程描述的问题,硬要用经典粒子模型来理解,能不产生迷惑吗?

8. Will there ever be a "theory of everything"? 8.会有万有理论吗?

有的,因为协变的场方程只有几个种类,这些方程的合理组合就构成了“万有理论”[1]

9. Why does time seem to flow in only one direction? 9.为什么时间似乎只朝一个方向流动?

基本的场方程都是一阶双曲组,例如狄拉克方程、麦克斯韦方程组,演化只能往一个方向进行。

10. What is dark matter? 10.什么是暗物质?

基本物质单元不能靠不着边际的假设,只能在基本的场方程中寻找。最简单非线性旋量才是暗物质的正确选择[1]

11. Can we make a real, human-size invisibility cloak? 11.我们可以制作出真人大小的隐形斗篷吗?

几乎不太可能,没有这种属性的物质材料作基础。

12. Are there any particles that behave oppositely to the properties or states of photons? 12.是否存在与光子性质或状态相反的粒子?

不存在的,关于正反粒子的概念有问题,正反粒子仅仅是所带电荷相反。

16. Is quantum many-body entanglement more fundamental than quantum fields? 16.量子多体纠缠比量子场更基本吗?

现在的量子纠缠和量子场都存在概念问题

18. Can we accurately simulate the macro- and microworld? 18.我们可以精确模拟宏观和微观世界吗?

可以的,但微观世界必须用偏微分方程描述。

 

参考文献 

[1] Y. Q. Gu, Clifford Algebra and Unified Field Theory,2020.

[2] 辜英求,宇宙结构参数的动力学限制,Adv. in int. appl. Math. 2020; 2: (1) 2;

[3] 辜英求,天体磁场起源的新解释,自然科学, Vol. 7 No. 6 (2019)

 媒体链接

等你求解!上海交大携手《科学》杂志向全球发布125个科学问题

 

 




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6 黄河宁 杨正瓴 武夷山 李毅伟 苏保霞 宁利中

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