物理学中18大悬而未决的奥秘

在科学发达的今天，没有一个物理学家敢断言我们对宇宙的物理知识已经接近完成，科学的突破或进展似乎进入了瓶颈期。对于科学家来说，每一个新的发现就像打开了潘多拉的盒子一样。而物理学领域留下了很多悬而未解的问题，下面就盘点一下这问题。

1. 什么是暗能量？

不管天体物理学家如何压缩这些数字，也无济于事。尽管引力在宇宙空间的“时空”中向内拉，但它不断向外扩张得越来越快。为了解释这一点，天体物理学家提出了一种无形的概念，它通过将时空分离而达到抵消重力的作用。他们把这个概念称之为暗能量. 在最广泛接受的暗能量模型中，它是一个“宇宙常数”：空间本身的固有属性即“负压”驱动空间。随着空间的扩展，更多的空间被创造出来，随之产生更多的暗能量。根据观测到的膨胀率，科学家知道所有暗能量的总和必须占宇宙总含量的70%以上。但是没有人知道如何去寻找或测量它。近几年来，最顶尖的研究人员在暗能量可能隐藏的地方做了探索研究，可是几乎一无所获。

2. 什么是暗物质？

显然，宇宙中大约84%的物质不吸收或发射光。暗物质，名副其实，不能直接看到，它还没有被间接手段检测到。相反，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推断出来的。这种阴影物质被认为遍布星系的边缘，并且可能由“弱相互作用的大质量粒子”或WIMP组成。在世界范围内，有几个探测器一直在寻找WIMP，但到目前为止，还没有找到一个。最近的一项研究表明，暗物质可能在宇宙中形成长而细粒的溪流。而这种溪流就像从地球辐射出去的头发一样。

3. 为什么会有时间之箭？

时间是向前移动的，因为宇宙的一个属性叫做“熵”，大致被定义为无序水平，只会增加，因此在它发生之后，没有办法逆转熵的上升。熵增加的事实是一个逻辑问题：粒子的无序排列比有序排列更为无序，所以随着事物的变化，它们往往会陷入混乱。但这里的根本问题是，当大量的能量被塞进一小部分空间（宇宙最初形成的时期），为什么过去熵这么低？为什么宇宙在开始时如此有序。

4. 有平行宇宙吗？

在20世纪50年代，有的物理学家在观察量子的时候，发现每次观察的量子状态都不相同。而由于宇宙空间的所有物质都是由量子组成，所以这些科学家推测既然每个量子都有不同的状态，那么宇宙也有可能并不只是一个，而是由多个类似的宇宙组成。平行宇宙概念的提出，得益于现代量子力学的科学发现。宇宙学家认为平行宇宙有可能被探测到，当人们所在的宇宙与另一个平行宇宙之间发生碰撞时，会在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。一旦轨道望远镜发现背景辐射中的可疑痕迹，暗示这可能是来自另一个平行宇宙。英国天文学家称找到了支持平行宇宙论的证据。通过对宇宙微波背景辐射图的研究，他们发现了四个由“宇宙摩擦”形成的圆形图案，这表明我们的宇宙可能至少4次进入过其他宇宙。然而时间过去很久了，目前依然找不到平行宇宙。

5. 为什么物质比反物质更重要？

为什么物质比反物质更重要？为什么有这么多物质，而不是它的相反电荷和反向旋转孪生反物质，实际上这是一个为什么万物存在的问题。假设宇宙会对称处理物质和反物质，那么在大爆炸的时候，应该会产生相等数量的物质和反物质。如果这种现象发生了，这两种情况都会完全湮灭：质子会被反质子、电子与反电子（正电子）、带有反中子的中子等相互抵消，从而在广袤的宇宙中留下一片暗淡的光子海。由于某种原因，有多余的物质没有被消灭。对此，没有公认的解释。在2015年8月宣布的物质与反物质之间的差异，证实它们是彼此镜像的，这是迄今为止最详细的测试，它为理解为什么物质更为普遍的神秘性开辟了全新的路径。

6. 宇宙的命运是什么？

宇宙的命运很大程度上取决于一个未知值的因素：Ω，一个物质密度和宇宙能量的量度。如果Ω大于1，那么时空将像一个巨大球体的表面一样“闭合”。如果没有暗能量，这样的宇宙最终将停止膨胀，而将开始收缩，最终在一个被称为“大紧缩”的事件中坍塌，那么宇宙将被封闭起来。是暗能量，驱使球形宇宙永远膨胀。如果Ω小于1，那么空间的几何形状将是“开放的”，就像鞍的表面。在这种情况下，它的最终命运是“大冰冻”，接着是“大裂谷”：首先，宇宙的向外加速会撕裂星系和恒星，留下所有物质将变得寒冷和孤独。接下来，加速度会变得非常大，以至于它会抵御把原子聚集在一起的力量的影响，一切都会被

撕裂。

7. 如何测量坍塌量子波函数?

在电子、光子和其他基本粒子的奇异领域中，量子力学就是定律。粒子不是微小的球，而是像在大面积上传播的波。每个粒子可以用一个“波函数”或概率分布来描述，表明它的位置、速度和其他属性等。粒子实际上对所有的属性都有一系列的值，直到你通过实验测量其中的一个位置，例如，粒子的波函数“崩溃”，它只采用一个位置。但是，如何测量粒子的波函数以及为什么它会坍塌，产生了我们认为存在的具体真相呢？这个问题，被称为深奥的测量问题，但是我们如何对现实进行理解，或者它是否存在，答案不得而知。

8. 弦理论是正确的吗？

物理学家假设所有的基本粒子是一维的环，或者是“弦”，它们每一个都以不同的频率振动，物理学的研究就变得容易简单多了。在弦理论描述中物理学家将所谓的量子力学的定律与支配时空的定律（称为广义相对论）调和起来，并将自然界的四种基本力量统一为一个单一的框架。但问题是，弦理论只能在一个具有10或11个维度的宇宙中产生作用：三个大空间的宇宙，六个或七个紧凑的空间，以及时间维度。紧凑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。因此没有已知的方法来实验验证或否定弦理论。

9. 混乱中有秩序吗？

从水到空气到所有其他液体和气体，物理学家不能运用方程式准确地求解描述这些流体行为。事实上，还不知道所谓的Navier-Valman方程的是否存在，或者如果存在一个解决方案，它是否能准确描述流体，还是包含了被称为奇点的固有的不可知点。因此混沌的本质依然无法描述清楚。物理学家和数学家想知道，天气仅仅是难以预料的，还是固有的不可预知的？湍流是否超越了数学描述，或者当你试图用正确的数学方法去解释它时候，这一切都有意义吗？

10. 宇宙的力量合而为一吗？

宇宙有四种基本自然力：电磁力、强核力、弱相互作用(也称为弱核力)和引力。到目前为止物理学家们知道，如果你把足够的能量转化为足够的能量，例如在粒子加速器中——三种力量“统一”并成为一股力量，物理学家运行粒子加速器统一电磁力和弱相互作用，在更高的能量下，同样的事情应该发生在强大的核力和最终的引力。

但尽管理论认为这种情况应该发生，但自然并不总是满足于此。到目前为止还没有粒子加速器达到足够高的能量来统一强大的电磁和弱相互作用，包括引力，意味着更多的能量。目前还不清楚科学家是否能建立起一个强大的：在日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)可以将粒子以数万亿电子伏特(约14兆电子伏，或TeV)的能量相互撞击。为了达到大的统一能量，粒子至少需要1万亿倍的能量，所以物理学家就只能寻找这种理论的间接证据。

除了能量问题，大统一理论仍然存在一些问题，因为它们预测到目前为止还没有发现的其他观测结果。有几个GUT称质子在巨大的跨度(10 ^ 36年)的时间应该变成其他粒子。这一点从未被观测到过，所以质子数比任何人想的都要长，或者它们真的永远稳定。另一个对某些类型的GUT的预测是磁单极子的存在——孤立的“北”和“南极”磁极然而而没有人看到其中的一个。可能我们没有足够强大的粒子加速器。或者这些物理学家对宇宙的理解运作方式可能是错误的。

11.黑洞内发生了什么?

如果一个物体被吸入黑洞会发生什么？根据目前的理论如果你把一个铁方块扔进一个黑洞，就没有办法获取任何信息。这是因为黑洞的引力如此之大，以至于它的逃逸速度要比光速快，而且光是传递信息最快的。然而一个叫做量子力学的科学分支说量子信息不能被摧毁。芝加哥洛约拉大学(Loyola University Chicago)的物理学副教授罗伯特麦克尼斯(Robert McNees)说：如果你以某种方式消灭了这些信息，就会出问题。

量子信息与我们在计算机上存储的信息有一点不同，或者是我们大脑中的东西。这是因为量子理论没有提供确切的信息，例如一个物体在哪里，就像计算一个棒球在力学中的轨迹。相反这些理论揭示了最有可能的位置，或者是一些行动最有可能的结果。因此所有事件的概率都应该加到1或100%。(例如当你掷一个六面骰子时，一个给定的脸出现的几率是1 / 6，所以所有的脸的概率加起来等于1，你不能超过百分之百确定的事情会发生。)因此量子理论被称为幺正，如果你知道一个系统是如何结束的，你可以计算它是如何开始的。

要描述一个黑洞你需要的是质量，角动量(如果旋转)和电荷。除了一种叫做霍金辐射的缓慢的热辐射外，没有什么东西能从黑洞里出来。据我们所知没有办法通过逆向计算来计算出黑洞到底是怎么吞噬的，信息被摧毁。然而量子理论说，信息不能完全超出范围，这就是“信息悖论”。

麦克尼埃斯说有很多关于这个问题的研究，尤其是斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和斯蒂芬·佩里(Stephen Perry)，他曾在2015年提出而不是被储存在一个黑洞的深沟中，信息仍然在其边界上，被称为“事件视界”(event horizon)。许多人试图解决这个悖论。到目前为止物理学家无法就这一解释达成一致，而且他们可能会在一段时间内达成共识。

12.裸奇点存在吗?

当“事物”的某些性质是无限的时就会发生奇点，因此我们所知道的物理定律就会分解。在黑洞的中心有一个无限大的点和密度(包含有限的物质)，一个叫做奇异点的点。在数学中奇点一直存在——除以0就是一个实例，而坐标平面上的垂直线上有一个“无限”的斜率。实际上垂直线的斜率是没有定义的。但奇点是什么样的呢？它如何与宇宙的其他部分相互作用/什么东西没有真实的表面而且是无限小的？

“裸”奇点是一个可以与宇宙的其他部分相互作用的奇点。黑洞有视界-球形区域，没有任何东西甚至是光都不能逃脱。乍一看你可能认为裸奇点的问题至少在一定程度上解决了黑洞的问题，因为没有什么东西能脱离视界，奇点不会影响到宇宙的其他部分(可以说而裸奇点是一个没有视界的黑洞)。

但是奇点是否能在没有视界的情况下形成仍然是一个悬而未决的问题。如果它们能存在，那么阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论就需要修正，因为当系统太接近奇点时，它就会分解。裸奇点也可能是虫洞，也可能是时间机器——尽管在自然界中没有证据。

13. 违反cp对称

如果你用一个粒子与它的反物质物理定律应该保持不变。例如带正电荷的质子应该和带负电荷的反质子一样，这就是电荷对称的原理。如果你交换左和右，物理定律应该是一样的，这是奇偶对称，这两个称为CP对称。大多数时候这个物理规则并没有被违反。然而某些奇异的粒子破坏了这种对称性。在量子力学中不应该有任何违反CP的行为，我们目前不知道为什么会这样。

14. 当声波发出光时

虽然粒子物理问题占了许多尚未解决的问题，但一些秘密可以观察到在一个桌上型实验室设置，声致发光就是其中之一，如果你带一些水和声波将形成泡沫。这些气泡是低压区域包围高压，外部压力推动的低压空气和泡沫迅速崩溃。当这些泡沫崩溃时,它们发出的光在闪烁持续10秒。

问题是这一点尚不清楚什么是光的来源。理论从微小的核聚变反应到某种类型的放电，甚至压缩加热的气体在泡沫。物理学家测量高温在这些泡沫成千上万的度，并拍了许多照片的光，但是没有好的解释声波如何创建这些灯在一个泡沫。

15. 超越标准模型的是什么?

标准模型是有史以来最成功的物理理论之一。四十年来一直在做实验来测试它，而新的实验表明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围所有物体的粒子的行为，并解释了为什么粒子有质量。事实上在2012年发现希格斯玻色子，一种赋予物质质量的粒子（希格斯场）是一个历史性的里程碑，因为它证实了它存在的长期预测。

但标准模型并不能解释一切。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和Z玻色子(介导了控制放射性的弱相互作用)以及它们之间的夸克，因此很难发现物理学可能超越它。也就是说大多数物理学家同意标准模型还没有完成。有一些新的更完整的模型的竞争者——弦理论是一个这样的模型，但到目前为止这些都没有被实验证实。

16. 基本常数

无量纲常数是没有单位的数。例如光速是以米每秒(或186,282英里每秒)计量的基本常数。与光速不同无量纲常数没有单位，也可以测量，但它们不能从理论推导出来，而像光速这样的常数是可以的。

天文学家马丁·里斯(Martin Rees)专注于他认为物理的基础上的某些“无量纲常数”。事实上，有超过六种标准模型中约有25个。

例如精细结构常数，通常写成alpha决定了磁相互作用的强度。这是约0.007297，使这个数字奇怪的是，如果它是任何不同的，稳定物质就不存在。另一个原因是许多基本粒子的质量之比,如电子和夸克，普朗克质量。物理学家们想弄清楚为什么这些特定的数字有它们的价值，因为如果它们非常不同，宇宙的物理定律不允许人类在这里。然而仍然没有令人信服的理论解释为什么他们有这些价值观。

17.什么是引力？

引力到底是什么呢？其他的力是由粒子介导的。例如电磁学就是光子的交换。弱核力由W和Z玻色子携带，胶子携带着原子原子核的强核力。其他所有的力都可以被量化，这意味着它们可以被表示为单个粒子，并具有非连续的值。

引力力似乎不是这样的，大多数物理理论认为，它应该被一个叫做引力子的假想无质量粒子携带。问题是目前还没有人发现引力子，也不清楚是否可以建造任何粒子探测器，因为如果重子与物质相互作用，它们会非常非常少地做，很少能在背景噪声中隐形。我们甚至不清楚引力子是无质量的，尽管它们有质量，但它非常非常小——比已知的最轻的粒子中的中微子要小。弦理论认为引力子(和其他粒子)是封闭的能量循环，但到目前为止数学工作并没有产生多大的洞察力。

由于引力子还没有被观测到，引力一直拒绝试图以我们理解其他力量的方式来理解它。一些物理学家特别是Theodor Kaluza和Oskar Klein，认为引力力可以作为一个粒子在三个空间(长度、宽度和高度)之外的额外维度上运行，而我们熟悉的时间(持续的时间)是我们所熟悉的，但这是否真实还不得而知。

18. 我们生活在一个虚假的真空中吗？

宇宙似乎相对稳定，毕竟它已经存在了大约138亿年。但如果整件事都是一场大事故呢?一切都始于希格斯粒子和宇宙的真空。或者说真空应该是能量最低的状态，因为它里面什么都没有。与此同时希格斯玻色子——通过所谓的希格斯场赋予了一切质量。加州大学洛杉矶分校(University of California,Los Angeles)的物理学和天文学教授Alexander Kusenko在《物理学》(Physics)杂志上撰文称，真空的能量状态可以从希格斯场的势能和希格斯粒子的质量和顶级夸克(一个基本粒子)计算出来。

到目前为止这些计算似乎表明，宇宙的真空可能不会处于尽可能低的能量状态。这意味着这是一个虚假的真空。如果这是真的，我们的宇宙可能不稳定，因为一个错误的真空可以被一个足够暴力和高能量的事件撞击到一个较低的能量状态。如果这种情况发生将会出现一个叫做气泡形核的现象。一个低能真空的球体将以光速开始生长。没有什么即使是物质本身，也能生存。实际上我们将用另一个取代宇宙，这可能有非常不同的物理定律。

这听起来很可怕，但考虑到宇宙还在这里，显然还没有发生过这样的事件，天文学家已经看到了伽马暴、超新星和类星体，所有这些都是很有能量的。所以我们不需要担心。这就是说真空的假想意味着我们的宇宙可能会以这样的方式存在，当之前的宇宙的假真空被撞到更低的能量状态时，也许我们是粒子加速器事故的结果。

作者：Natalie Wolchover，Jesse Emspak

来自：Live Science

编译：光量子（部分）

审校：博科园