宇宙的混乱中有秩序吗？-18个最大的宇宙未解之谜

作者：Natalie Wolchover，Jesse Emspak

译者： 布鲁克

1900年，英国物理学家罗德·凯尔文曾宣布: “物理学现在没有什么新发现了。剩下的只是越来越精确的测量。” 但在三十年后，量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改变了这一领域。今天，每一个新发现都似在打开潘多拉的盒子，里面有更大、更深的问题。以下是我们对宇宙最深刻的问题。

1. 什么是暗能量 (Dark Energy)？

尽管重力(Gravity)将时空向内拉着，但时空仍在以越来越快的速度向外扩张。为了解释这一点，天体物理学家提出了一种无形的物质，它通过将时空推开来抵消重力。他们称之为暗能量。在最广为接受的暗能量模型中，它是一个“宇宙常数”，即空间本身的固有属性，它具有“负压”驱使空间扩大。随着空间的扩大，产生更多的空间，随之产生更多的暗能量。根据观测到的膨胀率，科学家们推算所有暗能量的总和占宇宙总含量的70%以上。但没有人知道如何寻找它。

2. 什么是暗物质 (Dark Matter)？

宇宙中大约84%的物质不吸收或发射光，被称为“暗物质”。暗物质不能被直接观测到，也没有被间接探测到。暗物质的存在和性质是从其对可见物质、辐射和宇宙结构的引力效应中推断出来的。这种暗物质被认为遍布在星系边缘，可能由“弱相互作用的大质量粒子 (WIMPs)”组成。在世界范围内，只有几个探测器在寻找WIMPs，但到目前为止，还没有发现一个。最近的一项研究表明，暗物质可能在整个宇宙中形成细长的溪流，这些溪流可能像头发一样从地球边散发开来。

3. 重力(Gravity) 到底是什么？

宇宙中其他的力由粒子介导。例如，电磁力就是光子的交换，弱核力由W和Z玻色子携带，以及强核力将原子核结合在一起。麦克内斯说，这些力都可以量化，这意味着它们可以表示为单个粒子，并且具有不连续的值。

但重力似乎不是那样的。很多物理学家认为，它应该由一种被称为引力子的无质量粒子携带。问题是，目前还没有人发现引力子，而且还不清楚任何可以建造的粒子探测器是否可以看到它们。甚至还不清楚引力子是否没有质量，如果它们有质量的话，它会是非常非常小的——比中微子还小，中微子是已知最轻的粒子之一。

无数的实验表明，除重力外，宇宙的所有基本力都遵循量子力学定律。现在理论物理学家建议，寻找空间和时间结构中波纹的不规则性可能有助于揭示重力也是量子。量子物理学表明，一切从根本上来说都是由称为量子的能量包组成的，每个能量包的行为都像粒子和波。光量子称为光子，而长期假定的基本引力粒子称为引力子。探测引力子将证明重力是量子。然而，由于重力异常微弱，科学家需要非常强大的仪器来探测这些假设的粒子。

4. 宇宙中的力量会合为一吗？

宇宙中有四种基本力：电磁力、强相互作用（也称为强核力）、弱相互作用（也称为弱核力）和重力。迄今为止，物理学家们都知道，如果你把能量调到足够大的程度——例如，在一个粒子加速器内——三个力就会“统一”，成为一个单一的力。物理学家已经运行了粒子加速器，统一了电磁力和弱核力，在更高的能量下，同样的事情应会发生在强核力和重力上。

尽管理论上说这应该发生，但到目前为止，还没有一个粒子加速器达到足够高的能量，将三个力 (电磁力、强核力、弱核力) 统一起来。要统一重力将意味着更多的能量。目前尚不清楚科学家们是否能建造出如此强大的设备。日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC）可以将能量高达万亿电子伏（约14万亿电子伏，简称TeV）让粒子相互碰撞。为了达到“统一”的能量，粒子需要至少一万亿倍的能量，所以物理学家只能寻找一些理论的间接证据。

5. 为什么时间似箭 (Arrow of Time)？

时间向前推进是宇宙的一种特性，即所谓的“熵”，大致定义为无序程度只会增加，因此在熵增加之后，没有办法逆转它。熵增加的事实是一个逻辑问题：粒子的无序排列多于有序排列，因此随着事物的变化，它们往往会陷入混乱。但这里的根本问题是，为什么熵在过去是如此微小？换言之，为什么宇宙在最开始时是如此有序，特别是当大量的能量被挤在一小块空间里的时候？

6. 有平行的宇宙吗 (Parallel Universes)？

天体物理数据表明，时空可能是“平坦的”，而不是弯曲的，因此它将永远持续下去。如果是这样的话，那么我们所能看到的区域（我们认为的“宇宙”）只是无限大的“多重宇宙”中的一块。同时，量子力学定律决定了每个宇宙中只有有限数量的可能粒子构型（10^10^122种不同的可能性）。因此，在无限数量的宇宙中，其中的粒子排列会被重复无限多次。这意味着有无限多的平行宇宙——与我们完全相同的宇宙（包含与你完全相同的人），以及仅有一个粒子位置排列不同的宇宙，或两个粒子位置不同的宇宙，直至与我们完全不同的宇宙。

这种逻辑有什么错吗？或者它的推断是真的吗？如果这是真的，我们怎么能检测到平行宇宙的存在？

7. 为什么物质 (Matter) 比反物质多 (Antimatter)？

为什么有这么多的物质，而不是相反电荷或反向自旋的孪生反物质？这个问题实际上是指为什么有物质存在的问题。人们假设宇宙中的物质和反物质是对称的，因为大爆炸 (Big Bang)应该会产生等量的物质和反物资。但如果真的发生了这种情况，两者都会完全湮灭：质子会被反质子抵消，电子会被反电子抵消，中子会被反中子抵消，等等，最后留下无物质的空间。由于某些原因，有多余的物质没有被湮灭，所以有我们的存在。对此，没有人能解释。在2015年8月，一个迄今为止对物质和反物质之间差异的最详细测试，证实了它们是彼此的镜像关系。这结果让我们更难理解为什么物质比反物质更多和更普遍。

8. 宇宙的命运是什么？

宇宙的命运在很大程度上取决于一个未知值的因素：Ω，一个衡量整个宇宙中物质和能量密度的指标。如果Ω大于1，那么时空就会像一个巨大球体的表面一样“封闭”的。如果没有暗能量，这样的宇宙最终会停止膨胀，转而开始收缩，最终在一个被称为“大崩溃” (Big Crunch) 的事件中坍塌。如果宇宙是封闭的，但有暗能量，球形宇宙将永远膨胀。

如果Ω小于1，那么空间的几何形状将像鞍座的表面一样“开放”的。在这种情况下，它的最终命运是“大冰冻”，然后是“大裂口”：首先，宇宙向外扩张的加速度会将星系和恒星撕裂，使所有的物质都寒冷而孤独。接下来，加速度会变得如此强大，以至于它会压倒将原子固定在一起的力的作用，一切都会被扭曲。

如果Ω=1，宇宙将是平的，像一个无限大的平面向各个方向延伸。如果没有暗能量，这样一个平面宇宙将永远膨胀，但速度会不断减少，接近停滞。如果存在暗能量，平坦的宇宙最终将经历失控膨胀，导致大裂口。不管如何，宇宙会消亡。

但上述的所有都只是数学逻辑推论。

9. 为什么测量粒子会产生波函数“崩溃”？

在电子、光子和其他基本粒子的奇异领域里，量子力学是基本定律。粒子的行为并不像小球，而是像在大面积上传播的波。每个粒子都用一个“波函数”或概率分布来描述，它告诉我们粒子的位置、速度和其他性质可能是什么，而不是绝对是什么。实际上，粒子的所有属性都有一系列值，直到你通过实验测量其中一个属性——例如，它的位置——只有在测量时粒子的波函数“崩溃”，它的位置才被确定。

但是，为什么测量一个粒子会使其波函数崩溃而产生我们能感知到的具体现实？这个问题触及到我们所见的现实是什么或它是否存在。

10. 弦理论正确吗？

当物理学家假设所有的基本粒子实际上都是一维的环，或者说“弦”，每一个都以不同的频率振动时，物理学就变得容易多了。弦理论使物理学家能够调和粒子的控制定律（称为量子力学）和时空的控制定律，称为广义相对论，并将自然界的四种基本力（重力、电磁力、弱核力和强核力）统一为一个框架。但问题是，弦理论只能适用于10或11维的宇宙：三个大的空间维度，六个或七个压缩的空间维度以及一个时间维度。压缩的空间维度以及振动弦本身大约是原子核大小的十亿分之一万亿分之一。没有任何可能的方法可以检测到这么小的东西，因此也没有已知的方法可以通过实验验证或推翻弦理论。

11. 混乱中有秩序吗？

物理学家无法精确地解出描述流体行为的方程组，包括水到空气再到所有其他液体和气体。事实上，我们还不知道所谓的纳维-斯托克斯方程 (Navier-Stokes) 是否存在，如果有，它是否描述了所有的流体。因此，人们对混乱的本质并没有很好的理解。物理学家和数学家一直在思考，天气只是难以预测，还是天生不可预测？湍流是否超越了数学描述，试图用数学解决是否行得通？

12. 黑洞内部会发生什么？

如果一个物体被吸入黑洞，它的信息会发生什么变化？根据目前的理论，如果你把一个铁立方体扔进黑洞，就没有办法获取任何信息。这是因为黑洞的引力如此强大，以至于它的逃逸速度比光快，而光是最快的东西。然而，一个叫做量子力学的科学分支说，量子信息是不会被破坏的。

量子信息与我们在计算机上以1和0的形式存储的信息不同。这是因为量子理论无法提供精确的信息，例如，物体的位置，就像力学中计算棒球的轨迹一样。量子理论只能揭示某些最可能发生的位置或最可能产生的结果。因此，各种事件的所有概率之和应为1或100%。例如，当你掷六面骰子时，一面出现的概率是六分之一，所以所有面的概率加起来等于1，你不能超过100%确定会发生什么。因此，量子理论称为幺正理论。如果你知道一个系统是如何结束的，你就可以计算它是如何开始的。

要描述黑洞，你只需要质量、角动量（如果它在旋转）和电荷。除了称为霍金辐射（Hawking radiation）的热辐射的缓慢细流外，黑洞中什么也出不来。没有办法进行反向计算黑洞实际吞噬了什么，因为信息被销毁了。然而，量子理论说，信息不可能完全遥不可及。史蒂芬·霍金和斯蒂芬·佩里在2015年提出，信息不是存储在黑洞中，而是留在黑洞的边界上，称为事件视界 (Event Horizons)。许多人试图解决这个悖论。到目前为止，物理学家们还不能就这个解释达成一致。

13. 裸奇点存在吗？

在黑洞的中心有一个无限小和密度大的点（压缩着有限数量的物质），这个点称为奇点。在数学中，奇点经常会出现——除以零就是一个例子。坐标平面上的垂直线有一个“无限”斜率，但事实上，垂直线的斜率是未定义的。但奇点会是什么样的呢？它将如何与宇宙的其他部分相互作用？说某个物体没有真实的表面，而且是无限小，这意味着什么？

“裸”奇点是一个可以与宇宙其他部分相互作用的奇点。黑洞有事件视界 (Event Horizons)。事件视界是一种时空的曲隔界线，没有任何东西，甚至连光都无法逃离的球形区域。视界中任何的事件皆无法对视界外的观察者产生影响。在黑洞周围的便是事件视界。在非常巨大的引力影响下，黑洞附近的逃逸速度大于光速，使得任何光线皆不可能从事件视界内部逃脱。乍一看，你可能认为裸奇点的问题至少在黑洞中得到了部分解决，因为没有任何东西可以脱离视界，奇点也不会影响宇宙的其他部分。可以说，黑洞这个裸奇点是 “穿着衣服”的，因为真正的裸奇点是一个没有事件视界的黑洞。

但奇点是否可以在没有事件视界的情况下形成，仍然是一个悬而未决的问题。如果它们能够存在，那么爱因斯坦的广义相对论就需要修正，因为当系统或事物过于接近奇点时，它就会崩溃。裸奇点也可能起虫洞的作用，也可能是时间机器——尽管在自然界中没有证据证明这一点。

14. 为什么某些粒子违反电荷奇偶对称性？

如果你将一个粒子与其反物质交换，物理定律应该保持不变。因此，带正电的质子应该和带负电的反质子一样。这就是电荷对称的原理。就如你左右互换，物理定律应该看起来一样。这就是奇偶对称。两者合起来称为CP对称(电荷宇称对称)。CP对称描述了普通物质与反物质之间的对称关系，具体是指普通物质与反物质所遵循的物理法则几乎完全相同，他们之间只相差一个镜像反转。然而，某些外来粒子违反了这种对称性。麦克内斯觉得这很奇怪，“在量子力学中不应该有任何违反CP对称的行为，”他说，“我们不知道这是为什么。”

15. 为什么声波致发光？

虽然粒子物理解释了许多未解决的问题，但仍不能解释在实验室装置上可以观察到的一些谜团。声致发光就是其中之一。如果你拿一些水，用声波冲击，就会形成气泡。这些气泡是低压区，周围环绕着高压；外部压力推动低压空气，气泡很快就会破裂。当这些气泡破裂时，它们会发出持续万亿分之一秒的闪光。

问题是，光源是什么还远不清楚。理论范围从微小的核聚变反应到某种类型的放电，甚至是气泡内气体的压缩加热。物理学家已经测量了这些气泡内的高温，约为数万华氏度，并拍摄了它们产生的光的无数照片。但是没有很好的解释声波是如何在气泡中产生这些光的。

16. 标准模型之外还有什么？

标准模型是有史以来最成功的物理理论之一。四十年来，它一直在经受实验的考验，新的实验不断证明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围一切事物的粒子的行为，并解释了为什么粒子具有质量。事实上，2012年希格斯玻色子（一种赋予物质质量的粒子）的发现是一个历史性的里程碑，因为它证实了对其存在的长期预测。

但标准模型并不能解释一切。虽然标准模型已经做出了许多成功的预测——例如，希格斯玻色子、W玻色元和Z玻色粒子（它们介导控制放射性的弱相互作用），以及它们之间的夸克 （一种参与强相互作用的基本粒子，也是构成物质的基本单元），大多数物理学家都认为标准模型并不完整。虽有新的、更完整的模型出现，弦理论就是其中之一，但到目前为止，这些都没有通过实验得到最终验证。

17. 为什么有基本常数？

无量纲常数是指没有附加单位的数字。例如，光速是一个基本常数，单位为米每秒。与光速不同，无量纲常数没有单位，可以测量，但不能从理论推导，而像光速这样的常数可以。

天文学家马丁·里斯在其著作《六个数字：塑造宇宙的深层力量》中指出“无量纲常数”是物理学的基础。事实上，无量纲常数有六个以上，标准模型中大约有25个。例如，精细结构常数（通常写为α）控制着磁相互作用的强度，它大约是0.007297。这个数字之所以奇怪，是因为如果它有任何不同，稳定物质就不会存在。另一个是许多基本粒子（如电子和夸克）的质量与普朗克质量的比值（即1.22´1019 GeV/c2）。物理学家们很想弄清楚为什么这些特定的数字有他们的价值，因为如果它们不同，宇宙的物理定律就不允许人类存在。然而，对于它们为什么具有这些价值，仍然没有令人信服的理论解释。

18. 我们生活在虚假的真空中吗？

宇宙似乎相对稳定。毕竟，它已经存在约138亿年了。但如果整件事都是一起大事故呢？我们的一切都可能始于希格斯粒子 (Higgs) 和宇宙真空。宇宙真空应该是一个能量最低的状态，因为里面什么都没有。与此同时，希格斯粒子通过所谓的“希格斯场 (Higgs Field) ——一种假定遍布于全宇宙的量子场”赋予一切质量。洛杉矶加利福尼亚大学物理学和天文学教授亚历山大·库森科在《物理学》杂志上写道，真空的能量状态可以通过希格斯场的势能、希格斯粒子的质量来计算。

到目前为止，这些计算似乎表明宇宙的真空可能没有处于最低能量状态。这意味着这是一个虚假的真空。如果这是真的，那么我们的宇宙可能并不稳定，因为一个虚假的真空可以被一个足够猛烈和高能量的事件冲击到一个低能量的状态。如果发生这种情况，就会出现一种称为气泡成核的现象。一个能量较低的真空球体将开始以光速生长。没有任何东西，即使是物质本身，能够幸存下来。我们将用另一个宇宙来代替这个宇宙，这个宇宙可能有非常不同的物理定律。

这听起来很可怕，但考虑到宇宙仍然存在，显然还没有发生这样的事件，天文学家已经看到伽马射线爆发、超新星和类星体，所有这些都具有相当高的能量。因此，我们不需要担心其发生的可能性。假真空的概念意味着当先前宇宙的假真空被撞击到较低能量状态时，我们的宇宙就诞生了。