物理學中18個最大的未解之謎
1900年，英國物理學家開爾文勛爵曾說過:「現在物理學中沒有什麼新發現。」剩下的就是越來越精確的測量。不到30年，量子力學和愛因斯坦的相對論徹底改變了這個領域。今天，沒有一個物理學家敢斷言我們對宇宙的物理知識已經接近完成。相反，每一個新發現似乎都打開了一個潘多拉的盒子，裡面裝著更大、更深奧的物理學問題。這些是我們對所有問題中最深刻的開放性問題的選擇。
在這篇文章里你將會學到平行宇宙，為什麼時間似乎只朝一個方向移動，為什麼我們不理解混沌等等很多物理學的前沿問題，打開腦洞吧。
NO.1 暗能量是什麼?
無論天體物理學家如何計算這些數字，宇宙根本就不會加起來。儘管引力對時空——宇宙的「結構」——的作用是向內拉，但它向外擴張的速度卻越來越快。為了解釋這一點，天體物理學家們提出了一種無形的物質，它通過擠壓時空來抵消重力。他們稱之為暗能量。在最廣泛接受的暗能量模型中，它是一個「宇宙常數」:空間本身的固有屬性，它具有「負壓力」驅動空間。隨著空間的擴大，更多的空間被創造出來，隨之而來的是更多的暗能量。根據觀測到的膨脹率，科學家們知道所有暗能量的總和必須占宇宙總含量的70%以上。但沒有人知道如何去尋找它。近年來，最優秀的研究人員在暗能量可能隱藏的地方所做的研究非常有限，這也是2015年8月發表的一項研究的主題。
NO.2 暗物質是什麼?
顯然，宇宙中大約84%的物質不吸收或不發光。「暗物質」，就像它被叫的那樣，它不能直接被觀測到，也還沒有被間接探測到。相反，暗物質的存在和性質從它對可見物質、輻射和宇宙結構的引力作用推斷出來。這種陰暗的物質被認為遍布星系的外圍，可能由「弱相互作用的大質量粒子」或弱相互作用粒子組成。在世界範圍內，有幾個探測器在尋找弱相互作用大質量粒子，但到目前為止，還沒有發現一個。最近的一項研究表明，暗物質可能在整個宇宙中形成長而細的溪流，而這些溪流可能像毛髮一樣從地球上輻射出來。
NO.3 為什麼會有時間之箭?
時間在前進，因為宇宙的一個屬性叫做「熵」，粗略地定義為無序程度，它只會增加，所以在它發生後，沒有辦法逆轉熵的上升。熵增加的事實是一個邏輯問題:粒子的無序排列比有序排列要多，因此隨著事物的變化，它們往往會陷入混亂。但這裡潛在的問題是，為什麼熵在過去這麼低?換句話說，為什麼宇宙從一開始就如此有序，當大量的能量被擠在一小塊空間里?
NO.4 有平行宇宙?
天體物理數據表明，時空可能是「平坦的」，而不是彎曲的，因此它會一直持續下去。如果是這樣的話，那麼我們所能看到的區域(我們認為是「宇宙」)只是一個無限大的「多重宇宙」中的一個板塊。同時,量子力學的定律規定,只有有限數量的粒子可能配置在每個宇宙板塊(10 ^ 10^ 122不同的可能性)。所以，有無數的宇宙板塊，其中的粒子排列被迫重複無限次。這意味著有無限多個平行的宇宙:宇宙和我們的宇宙板塊完全相同(包含了和你完全一樣的人)，以及板塊與一個粒子的位置不同，板塊與兩個粒子的位置不同，等等，直到與我們的完全不同。
這種邏輯有什麼問題嗎，或者它的怪異結果是真的嗎?如果這是真的，我們怎麼可能探測到平行宇宙的存在呢?
NO.5 為什麼物質比反物質多?
為什麼物質比其雙生體，電荷相反和旋轉方向相反的反物質要多得多，這實際上是一個關於為什麼所有物質都存在的問題。人們假設宇宙會對稱地對待物質和反物質，因此，在大爆炸的那一刻，應該產生等量的物質和反物質。但如果發生這種情況，這兩種物質就會完全湮滅:質子會被反質子抵消，電子會被反電子(正電子)抵消，中子會被反中子抵消，等等，在無物質的廣闊空間中，留下一片光子的海洋。由於某些原因，有多餘的物質沒有被湮滅，所以才導致我們誕生在這裡。對此，沒有公認的合理解釋。2015年8月公布的迄今為止最詳細的反物質和反物質差異測試，證實了它們是彼此的鏡像，為理解為什麼物質要普遍得多這一謎題提供了新途徑。
NO.6 宇宙的命運是什麼?
宇宙的命運很大程度上取決於一個因素的未知值:Ω,衡量整個宇宙的物質和能量密度。如果Ω大於1,那麼時空將像一個巨大的球體的表面一樣「封閉」。如果沒有暗能量，這樣的宇宙最終將停止膨脹，而是開始收縮，最終坍縮成一個被稱為「大緊縮」的事件。如果宇宙是封閉的，但有暗能量，球形宇宙將永遠膨脹。
或者,如果Ω小於1,那麼空間將像馬鞍那樣的幾何表面一樣的「開放」。在這種情況下，它的最終命運是「大凍結」，然後是「大撕裂」:首先，宇宙的向外加速會撕裂星系和恆星，使所有的物質變得寒冷和孤獨。接下來，加速度會變得如此之大，以至於它會壓倒將原子結合在一起的力的影響，一切都會被扭曲。
如果Ω= 1,宇宙是平坦的,就像一個在所有的方向都無限平坦的平面。如果沒有暗能量，這樣一個平面宇宙將會永遠膨脹，但會以不斷減速的速度，接近靜止。如果存在暗能量，平坦的宇宙最終將經歷失控的膨脹，導致大撕裂。不管結果如何，宇宙正在消亡，天體物理學家保羅薩特(Paul Sutter)在2015年12月發表的一篇文章中詳細討論了這一事實。
NO.7 測量如何破壞量子波函數?
在電子、光子和其他基本粒子的奇異領域，量子力學是定律。粒子不像小球那樣運動，而是像在一個大區域上傳播的波。每個粒子都由一個「波函數」或概率分布來描述，它告訴我們它的位置、速度和其他屬性更可能是什麼，而不是這些屬性是什麼。粒子實際上對所有性質都有一個取值範圍，直到你實驗測量其中的一個——比如它的位置——在這個點上粒子的波函數「坍縮」，它只確定一個位置。
但是，測量一個粒子的波函數為什麼會導致坍縮的，又是如何導致坍縮的？坍縮是怎麼產生我們認為存在的具體現實世界呢?這個問題，也就是所謂的測量問題，可能看起來很深奧，但是我們對現實是什麼或者它是否存在的理解，取決於這個問題的答案。
NO.8 弦理論是正確的嗎?
當物理學家假設所有基本粒子實際上都是一維的循環，或者「弦」，每一個都以不同的頻率振動，物理學就變得容易多了。弦理論使物理學家能夠調和支配粒子的定律(量子力學)和支配時空的定律(廣義相對論)，並將自然界的四種基本力量統一為一個單一的框架。但問題是，弦理論只能在一個有10或11個維度的宇宙中工作:3個大的空間維度，6或7個壓縮的空間維度，以及一個時間維度。
壓縮的空間維度——以及振動弦本身——大約是原子核大小的萬億分之一。沒有任何方法可以檢測到這麼小的東西，所以也沒有已知的方法來實驗驗證或證明弦理論無效。
NO.9 混亂中有秩序嗎?
物理學家不能精確地解決描述流體行為的方程組，從水到空氣再到所有其他液體和氣體。事實上，我們不知道所謂的Navier-Stokes方程（簡稱N-S方程）的通解是否存在，或者，如果存在一個解，它是否描述了各處的流體，或者包含內在不可知的稱為奇異點。結果，混亂的本質並沒有被很好地理解。物理學家和數學家都想知道，天氣僅僅是難以預測，還是不可預測?湍流是否超越數學描述，或者當你用正確的數學處理它時，它是否都有意義?
NO.10 宇宙的所有力統一了嗎?
宇宙經歷四種基本力:電磁力、強核力、弱相互作用(也稱為弱核力)和重力。到目前為止，物理學家們知道，如果你把能量調大到足夠的程度——例如，在粒子加速器中——三種力就會「統一」並成為一個單一的力。物理學家已經運行粒子加速器，統一了電磁力和弱相互作用，在更高的能量下，同樣的事情應該發生在強大的核力和最終的重力上。
但是，儘管理論認為這是必然發生的，但大自然並不總是施惠於人。到目前為止，還沒有一種粒子加速器達到足夠高的能量，可以用電磁學和弱相互作用來統一強大的力。包括重力意味著更多的能量。目前還不清楚科學家是否能造出如此強大的機器人;位於日內瓦附近的大型強子對撞機(LHC)，能以萬億電子伏特(約14太電子伏特)的能量相互碰撞。要達到大統一能，粒子需要至少一萬億倍的能量，因此物理學家只能尋找這些理論的間接證據。
除了能量問題，很多大統一理論(GUTs)仍然存在一些問題，因為它們預測了迄今為止還沒有得到充分利用的其他觀測結果。有幾個大統一理論說質子在巨大的跨度的時間後(10 ^ 36年)應該變成其他粒子。這是從未被觀察到的，所以質子的持續時間或者比任何人想像的要長得多，就是它們永遠是穩定的。某些大統一理論的另一種預測是磁單極的存在——獨立的「北極」和「南極」磁極——目前沒有人見過其中的一個。有可能我們只是沒有足夠強大的粒子加速器。或者，物理學家對宇宙如何運行的看法可能是錯誤的。
NO.11 黑洞內部發生了什麼?
如果一個物體被吸入黑洞，它的信息會發生什麼變化?根據目前的理論，如果你把一個鐵立方體扔進黑洞，就沒有辦法獲得任何信息。這是因為黑洞的引力非常強大，它的逃逸速度比光速還快——光是宇宙中速度最快的東西。然而，一個量子力學研究的科學分支說量子信息是不能被破壞的。芝加哥洛約拉大學的物理學副教授羅伯特·麥克尼(Robert McNees)說:「如果你不知怎麼地把這些信息消滅了，就會有麻煩。」
量子信息與我們在計算機上存儲的1和0或我們大腦中的東西有點不同。這是因為量子理論沒有提供確切的信息，例如，物體的位置，就像在力學中計算棒球的軌跡一樣。相反，這些理論揭示了最可能發生的位置或某些行為最有可能產生的結果。因此，各種事件的所有概率加起來應該是1，或100%。例如，當你擲一個六面骰子時，一個給定的面出現的概率是六分之一，所以所有的面的概率加起來等於1，你不能超過百分之百確定某件事會發生。如果您知道一個系統是如何結束的，您可以計算它是如何開始的。
要描述一個黑洞，你需要的是質量、角動量(如果它在旋轉)和電荷。黑洞里除了一種叫做霍金輻射的緩慢的熱輻射之外，什麼也沒有。據大家所知，沒有辦法通過逆向計算來計算出黑洞到底吞噬了什麼。信息被摧毀。然而，量子理論認為，信息不可能是完全摧毀，這就是「信息悖論」。
麥克尼斯說，在這個問題上已經有了很多研究，特別是史蒂芬·霍金（已故）和斯蒂芬·佩里的研究。許多人試圖解決這個悖論。到目前為止，物理學家們還不能對這個解釋達成一致，而且他們很可能會在一段時間內產生分歧。
NO.12 裸奇點存在嗎?
當「事物」的某些性質是無限的時，就會出現奇異點，因此我們所知道的物理定律就會失效。在黑洞的中心有一個無窮小和稠密的點(充滿有限的物質)，一個被稱為奇點的點。在數學中，奇點總是會出現，除以0是一個例子，坐標平面上的一條垂直線有一個「無限」的斜率。實際上，一條垂直線的斜率是沒有定義的。但是奇點是什麼樣子的呢?它如何與宇宙的其他部分相互作用?說一個物體沒有真正的表面並且無限小是什麼意思?
「裸」奇點是一種可以與宇宙其他部分相互作用的奇點。黑洞有視界——球形區域，沒有任何東西可以逃脫，甚至光也不能。乍一看，你可能會認為裸奇點的問題至少在一定程度上解決了黑洞的問題，因為沒有任何東西能脫離視界，奇點也不會影響到宇宙的其他部分。(可以說，它是「穿上衣服」的，而裸奇點則是一個沒有視界的黑洞。)
但是，如果沒有視界，奇點能否形成仍然是一個懸而未決的問題。如果它們存在，那麼阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論就需要修正，因為當系統太接近奇點時，它就會崩潰。裸奇點也可以作為蟲洞，也就是時間機器——儘管在自然界中沒有證據證明這一點。
NO.13 違反cp對稱
如果你把一個粒子和它的反物質兄弟交換，物理定律應該保持不變。舉個例子，帶正電荷的質子應該和帶負電荷的反質子看起來是一樣的。這就是電荷對稱的原理。如果你左右交換，物理定律應該是一樣的。這是奇偶對稱。兩者在一起被稱為CP對稱。大多數時候，這個物理規則都沒有被違反。然而，某些外來粒子違反了這種對稱性。McNees說這就是為什麼它很奇怪。「量子力學不應該有任何違反CP的行為，」他說。「我們不知道為什麼會這樣。」
NO.14 當聲波發光時
儘管粒子物理問題解釋了許多未解決的問題，但在一個台式實驗室的設置上可以觀察到一些謎團。聲波發光就是其中之一。如果你取一些水，用聲波撞擊它，泡沫就會形成。這些氣泡是被高壓包圍的低壓區；外部壓力推入低壓空氣，氣泡迅速崩塌。當這些氣泡坍縮時，它們發出光，閃爍的光持續了萬億分之一秒。
問題是，還遠不清楚光源是什麼。理論範圍從微小的核聚變反應到某些類型的放電，甚至是氣泡內部氣體的壓縮加熱。物理學家們已經測量了這些氣泡內部的高溫，溫度大約為數萬華氏度，並拍攝了大量它們產生的光的照片。但是，對於聲波是如何在氣泡中產生這些光，並沒有很好的解釋。
NO.15 超越標準模型的是什麼?
標準模型是最成功的物理理論之一。40年來，它一直經受著實驗的考驗，新的實驗不斷證明它是正確的。標準模型描述了構成我們周圍一切的粒子的行為，並解釋了為什麼，例如，粒子有質量。事實上，2012年發現的希格斯玻色子(一種賦予物質質量的粒子)是一個具有歷史意義的里程碑，因為它證實了對希格斯玻色子存在的長期預測。
但標準模型並不能解釋一切。標準模型已經做出了許多成功的預測——例如希格斯玻色子、W玻色子和Z玻色子(介導了控制放射性的弱相互作用)，以及它們之間的夸克。也就是說，大多數物理學家都認為標準模型並不完整。有幾個新的，更完整的模型的競爭者——弦理論就是一個這樣的模型——但是到目前為止，沒有一個被實驗最終證實。
NO.16 基本常數
無量綱常數是沒有單位的數。例如，光速是一個基本常數，單位是米每秒(或186,282英里每秒)。與光速不同，無量綱常數沒有單位，它們可以測量，但不能從理論推導出來，而像光速這樣的常數可以。
天文學家馬丁·里斯(Martin Rees)就是一個專註於一些他認為是物理學基礎的「無量綱常數」，他的著作《只有六個數字:塑造宇宙的深層力量》(Basic Books, 2001)。事實上，這些數字遠遠超過6個；標準模型中大約有25個。
例如，精細的結構常數，通常寫成alpha，決定了磁相互作用的強度。這是約0.007297。使這個數為奇數的原因是，如果它有任何不同，穩定物質就不存在。另一個是許多基本粒子的質量之比，如電子和夸克，普朗克質量(1.22×10^19 GeV / c^2)。物理學家很想弄明白為什麼這些特定的數字有它們的價值，因為如果它們非常不同，宇宙的物理定律就不會允許人類存在。然而，對於為什麼他們有這些價值，仍然沒有令人信服的理論解釋。
NO.17 重力到底是什麼?
重力,到底是什麼呢?其他力是由粒子介導的。例如，電磁就是光子的交換。弱核力由W和Z玻色子攜帶，而膠子攜帶著將原子核結合在一起的強大核力。麥克尼斯說，所有其他的力都可以被量化，這意味著它們可以用單個粒子來表示，並且具有非連續的值。
重力似乎不是這樣的。大多數物理學理論認為，它應該由一個假想的無質量粒子——重力子攜帶。問題是，還沒有人發現過重子，也不清楚是否有任何粒子探測器可以觀測到它們，因為如果重子與物質相互作用，它們就會非常非常非常非常罕見——非常罕見，以至於在背景雜訊的作用下它們是不可見的。我們甚至不清楚重子是否沒有質量，儘管如果它們有質量的話，它非常非常非常小——比中微子還要小，中微子是已知的最輕的粒子之一。弦理論假設重子(和其他粒子)是能量的閉合環路，但是數學工作到目前為止還沒有產生太多的見解。
因為重子還沒有被觀測到，重力一直抵制著試圖以我們理解其他力的方式來理解它——作為粒子交換。一些物理學家，特別是Theodor Kaluza和Oskar Klein，認為重力可能是一種額外維度的粒子，超出了我們所熟悉的空間(長度、寬度和高度)和時間(持續時間)的3個維度，但這是否正確還不得而知。
NO.18 我們是否生活在虛假真空中?
宇宙似乎相對穩定。畢竟，它已經存在了約138億年。但如果整件事是一場大事故呢?
一切都始於希格斯粒子和宇宙的真空。真空，或者說空的空間，應該是最低的能態，因為裡面什麼都沒有。與此同時，希格斯玻色子——通過所謂的希格斯場——賦予萬物質量。加州大學洛杉磯分校的物理學和天文學教授亞歷山大·庫申科(Alexander Kusenko)在《物理學》(Physics)雜誌上撰文稱，真空的能量狀態可以從希格斯場的勢能、希格斯粒子的質量和頂級夸克(一種基本粒子)的質量來計算。
到目前為止，這些計算似乎表明，宇宙的真空可能不是處於最低的能量狀態。這意味著這是一個虛假的真空。如果這是真的，我們的宇宙可能不穩定，因為一個虛假的真空可以被一個足夠猛烈和高能的事件撞擊成一個低能量的狀態。如果發生這種情況，就會出現一種叫做泡核的現象。一個低能真空球體將以光速開始生長。沒有任何東西，甚至連物質本身都無法生存。簡單地說，就是我們將用另一個宇宙取代宇宙，它可能有非常不同的物理定律。
這聽起來很可怕，但考慮到宇宙還在，顯然還沒有發生過這樣的事件，天文學家已經看到了伽馬射線暴，超新星和類星體，所有這些都是非常高能的。所以我們不需要擔心這個問題。也就是說，假真空的概念意味著，當先前宇宙的假真空被撞入較低的能量狀態時，我們的宇宙可能以這種方式突然存在。也許我們是粒子加速器事故的結果。
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