物理界這七大未解之謎，愛因斯坦復活也無能為力

「我們還沒有弄懂關於宇宙的一些基本事實。」

如果艾薩克·牛頓（Isaac Newton）乘坐時光機來到現代，他會欣喜地發現物理學已經取得了巨大的進步。幾個世紀前還異常神秘的東西現在只是大學新生物理課上的內容，恆星的構成就是一個很好的例子。

看到大型強子對撞機（LHC）這樣的巨型實驗裝置，牛頓一定會驚得合不攏嘴。要是知道自己的引力理論被愛因斯坦的理論所取代，他可能會感到沮喪。量子力學可能會被他視為奇談怪論，雖然當今的科學家也有同樣的感覺。

然而，一旦了解最新進展，他無疑會為現代物理學取得的成就鼓掌歡呼，無論是在19世紀發現光的本質，在20世紀確定原子的結構，還是在去年發現引力波。

儘管如此，當代科學家承認，他們並未掌握所有的答案。「我們還沒有弄懂關於宇宙的一些基本事實，」加州大學物理學家、《我們不知道：未知宇宙指南》合著者丹尼爾·懷特森（Daniel Whiteson）博士說。

以下是當今物理學七大未解之謎。

1. 物質是由什麼構成的？

眾所周知，物質由原子構成，原子由質子、中子和電子構成，質子和中子由更小的粒子夸克構成。如果進行更深入的探索，我們會不會發現更加基本的粒子？誰也說不準。

我們確實有了粒子物理標準模型，它很好地解釋了亞原子粒子之間的相互作用，也被用來預測未知粒子的存在。上次通過這種方法發現的粒子是希格斯玻色子，於2012年被LHC研究人員發現。

但標準模型並非無所不能。

「標準模型解釋不了一切，」費米國立加速器實驗室粒子物理學家唐·林肯（Don Lincoln）博士說，「它解釋不了希格斯玻色子為什麼存在，解釋不了希格斯玻色子的質量。」實際上，希格斯玻色子的質量比人們原先預測的要輕得多。林肯說，按照以前的理論，它的質量應該是「其實際質量的1000萬億倍」。

大型強子對撞機的一個粒子探測器

謎題還不止這些。原子被認為是電中性的（質子的正電荷與電子的負電荷互相抵消），但為什麼會這樣？林肯說：「沒人知道。」

對於我們來說，沒有哪種力比引力更為熟悉。畢竟，正是引力使我們可以站在地面上。愛因斯坦的廣義相對論提出了引力的數學公式，把引力描述為一個「扭曲」的空間。但引力的強度比其他三種已知的力（電磁力、弱力和強力）要弱萬億億億億倍。

一種可能是（目前只是猜測），除了我們日常注意到的三個空間維度以外，還有隱藏的其他維度，也許以一種不可能被發現的方式「捲曲起來」。如果真的存在另外的維度，並且引力能「泄漏」到那些維度，這可以解釋引力對我們而言為何這麼弱。

「引力可能和其他的力擁有相同的強度，但由於引力泄漏進入其他不可見的維度，因而被迅速削弱，」懷特森說。一些物理學家希望，在LHC進行的實驗會提供其他維度的線索，但到目前為止還沒有任何發現。

3. 時間為什麼只能單向流動？

自從愛因斯坦提出相對論以來，物理學家認為空間和時間組成了一種叫做「時空」的四維結構。但空間和時間存在某些根本上的區別。在空間中，我們可以隨心所欲地自由移動。而在時間中，我們毫無自由可言。我們只會年齒徒增，不可能返老還童。我們記得過去，但不知道未來。和空間不同，時間似乎只有一個特定的方向，物理學家稱之為「時間的箭頭」。

一些物理學家猜測，熱力學第二定律提供了線索。熱力學第二定律可以表述為一個物理系統的熵（混亂程度）會逐漸增加。物理學家認為，熵的增加使時間有了方向。例如，一個破碎的茶杯比一個完好的茶杯擁有更高的熵。毫無疑問，破碎的茶杯總是在完好的茶杯之後出現，而不是在之前出現。

熵增加是因為它先前的值較低，但它為什麼一開始很低？140億年前，當宇宙因大爆炸而誕生時，宇宙的熵是不是非常低？

包括加州理工學院教授肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）在內的一些物理學家認為，這就是缺失的一環。「如果你能告訴我為什麼早期宇宙擁有低熵，我就能解釋其餘的部分，」卡羅爾說。在懷特森看來，熵理論並不能解釋全貌。他說：「我認為，問題的根本在於，時間和空間為什麼差別這麼大？」近期的計算機模擬實驗似乎表明，時間的不對稱性可能源於物理學的基本定律，但這一結論存在爭議，時間的終極本質仍然是未解之謎。

比起現實生活中，反物質在科幻小說里更出名。在《星際迷航》中，反物質和物質發生相互作用，驅動曲速引擎，使聯邦星艦企業號以超過光速的速度飛行。曲速引擎純屬虛構，但反物質是真實存在的。我們知道，構成物質的每一種粒子可能都有一種與其電荷相反的相同粒子。例如，反質子就像質子，但電荷為負。對於帶負電荷的電子來說，其反粒子就是帶正電荷的正電子。

物理學家已經在實驗室中創造出反物質。但在此過程中，他們也創造出了同等數量的物質。這表明，宇宙大爆炸肯定創造出了相同數量的物質和反物質。然而，我們看到的幾乎一切都是由物質構成，不管是腳下的地面，還是遙遠的星系。

到底發生了什麼？為什麼物質比反物質更多？最有可能的解釋是，宇宙大爆炸產生的物質比反物質多了一點點。「在宇宙的早期歷史中（大爆炸之後的很短時間內），每100億個反物質粒子就有100億零一個物質粒子，」林肯說，「物質和反物質粒子互相湮滅100億個，留下了一個物質粒子。這小小的『一個』就構成了我們。」

但物質為什麼一開始比反物質多了一點點？「我們不知道，」林肯說，「這是個謎。」如果物質和反物質最初的數量是相同的，它們應該在能量的爆發中完全互相湮滅。林肯說，要是這樣的話，「就不會有人類了」。

位於美國伊利諾伊州巴達維亞的費米國立加速器實驗室

當「地下深處中微子實驗」項目在2026年開始收集數據時，一些答案可能會浮出水面。該項目將分析從費米國立加速器實驗室發射到桑福德地下研究設施的一束中微子（不帶電荷、幾乎沒有重量的微小粒子）。這束中微子將包含中微子和反中微子，研究目標是看看二者的行為是否相同，從而為自然界的物質-反物質不對稱性提供線索。

5. 在固體和液體之間的灰色地帶發生了什麼？

固體和液體很好理解。但一些物質的表現既像固體又像液體，使它們的行為很難預測。沙子就是一個例子。一顆沙子是像岩石一樣的固體，但百萬顆沙子能像水一樣流過漏斗。車流的表現也是如此，汽車自由地穿行，直到在某個擁堵地段停下。

因此，更好地理解這個「灰色地帶」可能具有非常重要的現實意義。

「人們一直在問，交通系統會在什麼情況下堵塞？」曼荷蓮學院物理學家克斯廷·諾德斯特羅姆（Kerstin Nordstrom）說，「避免堵塞的關鍵參數是什麼？」奇怪的是，在某些情況下，車流的一次堵塞實際上減少了更多的交通擁堵。「這違反了人們的直覺，」她說。

我們現在有兩個主要的理論來解釋幾乎所有的物理現象：廣義相對論和量子力學。前者善於解釋所有物體的運動，小到高爾夫球，大到宇宙星系。後者在原子和亞原子粒子領域同樣表現出色。

但問題是，這兩個理論對世界的描述大不相同。在量子力學中，事件是在固定的時空背景下展開。而在廣義相對論中，時空本身是不固定的。彎曲時空的量子理論會是什麼樣子？卡羅爾說，我們不知道。「我們甚至不知道我們試圖量子化的東西是什麼。」

這沒有阻止人們進行嘗試。幾十年來，弦理論（認為物質由微小的振動弦或能量環構成）被視為最有可能產生統一的物理學理論。但一些物理學家更傾向於圈量子引力論。該理論認為，空間本身由微小的圈構成。

弦理論和圈量子引力論都有可取之處，尤其是弦理論家開發的技術有助於解決某些棘手的物理學問題。但弦理論和圈量子引力論都未經實驗證實。眼下，我們孜孜以求的統一理論仍然杳渺無蹤。

在最初的5億年里，地球上沒有生命。然後，生命誕生，逐漸繁衍壯大。但生命是如何出現的？科學家認為，在生物進化開始之前，先有了化學進化。簡單的無機分子發生化學反應，形成複雜的有機分子，在海洋中進行的可能性最大。但又是什麼啟動了這一過程呢？

麻省理工學院物理學家傑里米·英格蘭（Jeremy England）最近提出了一個理論，試圖從物理學基本原則的角度出發，闡釋生命的起源。他認為，生命是熵增加的必然結果。若真是如此，那麼按照他的話說，生命的出現「就像石頭向山下滾一樣理所當然」。

這個理論有很多猜測成分在內，但近期的計算機模擬可能為該理論提供了支持。計算機模擬顯示，平常的化學反應（在地球剛形成時常見的那些化學反應）能創造出高度結構化的化合物，這在邁向生命體的道路上是至關重要的一步。

大約40億年前，生命在地球上出現，然後散布到世界各地，但生命如何從非生命物質進化而來還是未解之謎

生命的由來為何讓物理學家如此的難以索解？物理學家會說，任何有生命的東西都「非常不平衡」。在平衡的系統中，一個成分與其他成分大體一樣，沒有能量流入或流出（比如岩石和裝滿氣體的箱子）。生命卻剛好相反。例如，一棵植物吸收陽光，利用其能量來製造複雜的糖分子，同時向外界排放熱量。

弄懂這些複雜的系統「是物理學沒有解決的重大問題」。多倫多大學物理學家史蒂芬·莫里斯（Stephen Morris）說：「這些非常不平衡的系統自我組織成令人驚異的複雜物體，比如生命。我們應該如何加以解釋？」

翻譯：于波

來源：Nbcnews

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