物理學中18個最大的未解難題

【博科園-科學科普】1900年英國物理學家開爾文勛爵(Lord Kelvin)曾說：現在物理上沒有什麼新發現了，剩下的就是越來越精確的測量。然而在30年的時間裡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更大的潘多拉盒子，甚至更深奧的物理問題，這些是我們對所有最深刻的開放問題的選擇。

在裡面你會了解平行宇宙，為什麼時間似乎只在一個方向移動，為什麼我們不理解混亂？下面就跟隨【博科園】一起了解物理學中18個最大的未解難題

TOP1、什麼是暗能量？

圖片：NASA

不管天體物理學家如何處理這些數字，宇宙都是不加增加的。儘管引力在時空內拉向內拉但宇宙的「結構」不斷地更快向外擴張。為了解釋這一點天體物理學家提出了一種隱形的agent，通過將時空分開來抵消引力，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」，空間本身的固有特性，它具有「負壓力」推動空間的分離。隨著空間的膨脹更多的空間被創造出來，隨之而來的是更多的暗能量。根據觀測到的膨脹速度，科學家們知道所有暗能量的總和必須占宇宙總量的70%以上，但是沒有人知道如何尋找並證實它。近年來最好的研究人員已經能夠在暗能量可能隱藏的地方縮小範圍，這是2015年8月發布的一項研究宇宙的能量分布圖。

TOP2、什麼是暗物質？

圖片：ESO/L. Cal?ada

顯然宇宙中大約22%的物質不吸收或發射光的被稱為「暗物質」，不能直接看到，也還沒有被間接的手段探測到。相反暗物質的存在和性質被推斷出它對可見物質、輻射和宇宙結構的引力作用。這種神秘的物質被認為遍佈於星系的外圍，可能是由「弱相互作用的大顆粒」組成的。在世界範圍內有幾個探測器在尋找wimp，但到目前為止還沒有發現。最近的一項研究表明黑暗物質可能會在整個宇宙形成長而細粒的溪流，這樣的溪流可能像毛髮一樣從地球上散發出來。

TOP3、為什麼有時間的箭頭？

圖片：Shutterstock

時間向前移動因為宇宙中的一個叫做「熵」的屬性，被粗略定義為無序程度，只會增加，因此在它發生後，沒有辦法逆轉熵的上升。事實上熵的增加是一個邏輯問題：粒子的無序排列比有序的排列要多，所以當物體發生變化時，它們往往會陷入混亂。但這裡的根本問題是為什麼過去的熵如此之低？換句話說為什麼宇宙如此有序，當大量的能量被擠在一個小的空間里時?

TOP4、有平行的宇宙嗎？

圖片：Shutterstock

天體物理數據表明時空可能是「平坦的」而不是彎曲的，因此它將永遠持續下去。如果是這樣的話，那麼我們可以看到的區域(我們認為是「宇宙」)只是一個無限大的「多重宇宙」的一個補丁。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補丁(10 ^ ^ 122不同的可能性)。因此有了無限數量的宇宙版塊，它們內部的粒子排列就被迫重複無數次了。這意味著有無窮多的平行宇宙，與我們完全相同的宇宙版塊(包含和你完全相同的人)，以及不同於一個粒子位置的斑塊，不同於兩個粒子位置的版塊，以及與我們完全不同的版塊。

TOP5、為什麼物質比反物質更多？

圖片：Shutterstock

為什麼會有如此多的物質，而不是它的相反帶電和相反的旋轉的雙胞胎？反物質實際上是一個關於為什麼存在的問題。一個假設宇宙會將物質和反物質對稱地對待，因此在大爆炸的時刻，應該產生等量的物質和反物質。但如果發生了這種情況，就會完全湮滅，其中：質子會被反質子、反電子(正電子)、中子和反電子的中子所湮滅，從而在無物質的空間里留下一片單調的光子海洋。因為某些原因，有多餘的物質沒有被消滅，我們在這裡對此沒有一個公認的解釋，到2015年8月宣布的物質與反物質之間的差異，迄今為止最詳細的測試證實了它們互為鏡像，為理解為什麼物質更多的謎團提供了的新路徑。

TOP6、宇宙的命運是什麼？

圖註：

圖片：Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported | Bjarmason

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「關閉」就像一個巨大的球體的表面。如果沒有暗能量，這樣的宇宙最終會停止膨脹，轉而開始收縮，最終在被稱為「大危機」的事件中自行崩潰。如果宇宙是封閉的但有暗能量，那麼球形宇宙將永遠膨脹。

或者如果Ω小於1那麼空間將「開放」的幾何表面的馬鞍。在這種情況下它的最終命運是「大冰」，接著是「大撕裂」：首先宇宙的向外加速會將星系和恆星分開，使所有的物質都變得寒冷和孤獨，接下來加速會變得如此強烈，以至於它將壓倒將原子聚集在一起的力的作用，所有的東西都會被扭曲。

如果Ω= 1,宇宙是平坦的，就像一個無限平面在所有的方向。如果沒有暗能量，這樣一個平面宇宙將永遠膨脹，但在不斷減速接近靜止。如果有暗能量，平坦的宇宙最終會經歷失控膨脹導致大撕裂。2015年12月天體物理學家保羅·蘇特(Paul Sutter)在論文中詳細討論了這一現象，不管它是如何發揮作用的。

TOP7、如何測量坍塌量子波函數?

圖片：John D. Norton

在電子、光子和其他基本粒子的奇異領域中，量子力學是基本定律。粒子不像小球那樣運動，而是像在一個大區域傳播的波。每一個粒子都被描述為「波函數」或者說是概率分布，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。粒子實際上對所有的屬性都有一系列的值，直到你在實驗上測量其中的一個，例如它的位置在這一點上，粒子的波函數「崩潰」，它只採用一個位置。

但是為什麼測量一個粒子使它的波函數坍縮，產生我們認為存在的具體實相？這個被稱為測量問題的問題似乎很深奧，但我們對現實的理解或者它是否存在，取決於答案。

TOP8、弦理論是否正確？

圖片：Creative Commons | Lunch

當物理學家假設所有的基本粒子都是一維的循環或者「弦」，每一個都以不同的頻率振動，物理學就變得簡單多了。弦理論使物理學家能夠將量子力學，與支配時空的定律聯繫起來稱為廣義相對論，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個或11個維度的宇宙中工作：3個大空間，6個或7個壓縮空間，以及一個時間維度。壓實的空間維度——以及振動的弦本身，大約是原子核大小的十億分之一。沒有任何可以想像的方法來檢測任何小的東西，所以沒有已知的方法來驗證或否定弦理論。

TOP9、有混亂的秩序嗎？

圖片：Shutterstock

物理學家不能精確地解出描述流體行為的方程組，從水到空氣到所有其他液體和氣體。事實上我們還不知道所謂的納維-斯托克斯方程的通解是否存在，或者如果有一個解，它描述的是到處都是液體，還是包含了被稱為奇點的固有的不可知點。因此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？湍流是否超越了數學描述，或者當你用正確的數學處理它時，它是否都有意義？

TOP10、宇宙的力量是否能合併成一體？

圖片：Lucas Taylor / CMS

宇宙有四種基本自然力：電磁力、強核力、弱相互作用(也稱為弱核力)和引力。到目前為止物理學家們知道，如果你把足夠的能量轉化為足夠的能量，例如在粒子加速器中——三種力量「統一」並成為一股力量，物理學家運行粒子加速器統一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引力。

但儘管理論認為這種情況應該發生，但自然並不總是滿足於此。到目前為止還沒有粒子加速器達到足夠高的能量來統一強大的電磁和弱相互作用，包括引力，意味著更多的能量。目前還不清楚科學家是否能建立起一個強大的：在日內瓦附近的大型強子對撞機(LHC)可以將粒子以數萬億電子伏特(約14兆電子伏，或TeV)的能量相互撞擊。為了達到大的統一能量，粒子至少需要1萬億倍的能量，所以物理學家就只能尋找這種理論的間接證據。

除了能量問題，大統一理論仍然存在一些問題，因為它們預測到目前為止還沒有發現的其他觀測結果。有幾個GUT稱質子在巨大的跨度(10 ^ 36年)的時間應該變成其他粒子。這一點從未被觀測到過，所以質子數比任何人想的都要長，或者它們真的永遠穩定。另一個對某些類型的GUT的預測是磁單極子的存在——孤立的「北」和「南極」磁極然而而沒有人看到其中的一個。可能我們沒有足夠強大的粒子加速器。或者這些物理學家對宇宙的理解運作方式可能是錯誤的。

TOP11、黑洞內發生了什麼?

圖片：ESO/L. Cal?ada

如果一個物體被吸入黑洞會發生什麼？根據目前的理論如果你把一個鐵方塊扔進一個黑洞，就沒有辦法獲取任何信息。這是因為黑洞的引力如此之大，以至於它的逃逸速度要比光速快，而且光是傳遞信息最快的。然而一個叫做量子力學的科學分支說量子信息不能被摧毀。芝加哥洛約拉大學(Loyola University Chicago)的物理學副教授羅伯特·麥克尼斯(Robert McNees)說：如果你以某種方式消滅了這些信息，就會出問題。

量子信息與我們在計算機上存儲的信息有一點不同，或者是我們大腦中的東西。這是因為量子理論沒有提供確切的信息，例如一個物體在哪裡，就像計算一個棒球在力學中的軌跡。相反這些理論揭示了最有可能的位置，或者是一些行動最有可能的結果。因此所有事件的概率都應該加到1或100%。(例如當你擲一個六面骰子時，一個給定的臉出現的幾率是1 / 6，所以所有的臉的概率加起來等於1，你不能超過百分之百確定的事情會發生。)因此量子理論被稱為幺正，如果你知道一個系統是如何結束的，你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(如果旋轉)和電荷。除了一種叫做霍金輻射的緩慢的熱輻射外，沒有什麼東西能從黑洞里出來。據我們所知沒有辦法通過逆向計算來計算出黑洞到底是怎麼吞噬的，信息被摧毀。然而量子理論說，信息不能完全超出範圍，這就是「信息悖論」。

麥克尼埃斯說有很多關於這個問題的研究，尤其是斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和斯蒂芬·佩里(Stephen Perry)，他曾在2015年提出而不是被儲存在一個黑洞的深溝中，信息仍然在其邊界上，被稱為「事件視界」(event horizon)。許多人試圖解決這個悖論。到目前為止物理學家無法就這一解釋達成一致，而且他們可能會在一段時間內達成共識。

TOP12、裸奇點存在嗎?

圖註：

圖片：NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet

當「事物」的某些性質是無限的時就會發生奇點，因此我們所知道的物理定律就會分解。在黑洞的中心有一個無限大的點和密度(包含有限的物質)，一個叫做奇異點的點。在數學中奇點一直存在——除以0就是一個實例，而坐標平面上的垂直線上有一個「無限」的斜率。實際上垂直線的斜率是沒有定義的。但奇點是什麼樣的呢？它如何與宇宙的其他部分相互作用/什麼東西沒有真實的表面而且是無限小的？

「裸」奇點是一個可以與宇宙的其他部分相互作用的奇點。黑洞有視界-球形區域，沒有任何東西甚至是光都不能逃脫。乍一看你可能認為裸奇點的問題至少在一定程度上解決了黑洞的問題，因為沒有什麼東西能脫離視界，奇點不會影響到宇宙的其他部分(可以說而裸奇點是一個沒有視界的黑洞)。

但是奇點是否能在沒有視界的情況下形成仍然是一個懸而未決的問題。如果它們能存在，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，它就會分解。裸奇點也可能是蟲洞，也可能是時間機器——儘管在自然界中沒有證據。

TOP13、違反cp對稱

圖片：agsandrew | Shutterstock

如果你用一個粒子與它的反物質物理定律應該保持不變。例如帶正電荷的質子應該和帶負電荷的反質子一樣，這就是電荷對稱的原理。如果你交換左和右，物理定律應該是一樣的，這是奇偶對稱，這兩個稱為CP對稱。大多數時候這個物理規則並沒有被違反。然而某些奇異的粒子破壞了這種對稱性。在量子力學中不應該有任何違反CP的行為，我們目前不知道為什麼會這樣。

TOP14、當聲波發出光時

圖片：DmitrySteshenko/Shutterstock

雖然粒子物理問題佔了許多尚未解決的問題，但一些秘密可以觀察到在一個桌上型實驗室設置，聲致發光就是其中之一，如果你帶一些水和聲波將形成泡沫。這些氣泡是低壓區域包圍高壓，外部壓力推動的低壓空氣和泡沫迅速崩潰。當這些泡沫崩潰時,它們發出的光在閃爍持續10秒。

問題是這一點尚不清楚什麼是光的來源。理論從微小的核聚變反應到某種類型的放電，甚至壓縮加熱的氣體在泡沫。物理學家測量高溫在這些泡沫成千上萬的度，並拍了許多照片的光，但是沒有好的解釋聲波如何創建這些燈在一個泡沫。

TOP15、超越標準模型的是什麼?

圖片：Robert Spriggs | Shutterstock

標準模型是有史以來最成功的物理理論之一。四十年來一直在做實驗來測試它，而新的實驗表明它是正確的。標準模型描述了構成我們周圍所有物體的粒子的行為，並解釋了為什麼粒子有質量。事實上在2012年發現希格斯玻色子，一種賦予物質質量的粒子（希格斯場）是一個歷史性的里程碑，因為它證實了它存在的長期預測。

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，因此很難發現物理學可能超越它。也就是說大多數物理學家同意標準模型還沒有完成。有一些新的更完整的模型的競爭者——弦理論是一個這樣的模型，但到目前為止這些都沒有被實驗證實。

TOP16、基本常數

圖片：Andreas Guskos | Shutterstock

無量綱常數是沒有單位的數。例如光速是以米每秒(或186,282英里每秒)計量的基本常數。與光速不同無量綱常數沒有單位，也可以測量，但它們不能從理論推導出來，而像光速這樣的常數是可以的。

天文學家馬丁·里斯(Martin Rees)專註於他認為物理的基礎上的某些「無量綱常數」。事實上，有超過六種標準模型中約有25個。

例如精細結構常數，通常寫成alpha決定了磁相互作用的強度。這是約0.007297，使這個數字奇怪的是，如果它是任何不同的，穩定物質就不存在。另一個原因是許多基本粒子的質量之比,如電子和夸克，普朗克質量。物理學家們想弄清楚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，宇宙的物理定律不允許人類在這裡。然而仍然沒有令人信服的理論解釋為什麼他們有這些價值觀。

TOP17、什麼是引力？

圖片：koya979 | Shutterstock

引力到底是什麼呢？其他的力是由粒子介導的。例如電磁學就是光子的交換。弱核力由W和Z玻色子攜帶，膠子攜帶著原子原子核的強核力。其他所有的力都可以被量化，這意味著它們可以被表示為單個粒子，並具有非連續的值。

引力力似乎不是這樣的，大多數物理理論認為，它應該被一個叫做引力子的假想無質量粒子攜帶。問題是目前還沒有人發現引力子，也不清楚是否可以建造任何粒子探測器，因為如果重子與物質相互作用，它們會非常非常少地做，很少能在背景雜訊中隱形。我們甚至不清楚引力子是無質量的，儘管它們有質量，但它非常非常小——比已知的最輕的粒子中的中微子要小。弦理論認為引力子(和其他粒子)是封閉的能量循環，但到目前為止數學工作並沒有產生多大的洞察力。

由於引力子還沒有被觀測到，引力一直拒絕試圖以我們理解其他力量的方式來理解它。一些物理學家特別是Theodor Kaluza和Oskar Klein，認為引力力可以作為一個粒子在三個空間(長度、寬度和高度)之外的額外維度上運行，而我們熟悉的時間(持續的時間)是我們所熟悉的，但這是否真實還不得而知。

TOP18、我們生活在一個虛假的真空中嗎？

圖片：Shutterstock/Sandy MacKenzie

宇宙似乎相對穩定，畢竟它已經存在了大約138億年。但如果整件事都是一場大事故呢?一切都始於希格斯粒子和宇宙的真空。或者說真空應該是能量最低的狀態，因為它裡面什麼都沒有。與此同時希格斯玻色子——通過所謂的希格斯場賦予了一切質量。加州大學洛杉磯分校(University of California,Los Angeles)的物理學和天文學教授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和希格斯粒子的質量和頂級夸克(一個基本粒子)計算出來。

到目前為止這些計算似乎表明，宇宙的真空可能不會處於盡可能低的能量狀態。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，因為一個錯誤的真空可以被一個足夠暴力和高能量的事件撞擊到一個較低的能量狀態。如果這種情況發生將會出現一個叫做氣泡形核的現象。一個低能真空的球體將以光速開始生長。沒有什麼即使是物質本身，也能生存。實際上我們將用另一個取代宇宙，這可能有非常不同的物理定律。

這聽起來很可怕，但考慮到宇宙還在這裡，顯然還沒有發生過這樣的事件，天文學家已經看到了伽馬暴、超新星和類星體，所有這些都是很有能量的。所以我們不需要擔心。這就是說真空的假想意味著我們的宇宙可能會以這樣的方式存在，當之前的宇宙的假真空被撞到更低的能量狀態時，也許我們是粒子加速器事故的結果。

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