科普好文：当今物理学界12个悬而未决的难题 (转载）

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1900年，英国物理学家开尔文曾说过：“将来的物理学已经不会有什么新发现了。剩下的只有越来越精确的测量。”不过，三十年后，量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改变了这个预言。今天，没有一个物理学家敢断言我们对宇宙的物理知识接近于完成。相反，每一个新的发现似乎都解开了一个更大的、甚至更深层次的物理问题的潘多拉盒子。在这篇文章里，你会了解到平行宇宙，为什么时间似乎只向一个方向移动，以及宇宙的命运。 1、什么是暗能量？

紫外可见光谱的图像展示了遥远的宇宙，图上的星系正以超过光速的速度加速远离我们。但是重力的作用是向内部拉的，为什么星系会远离我们？为了解释这一点，天体物理学家提出了一种无形的媒介，通过将时空分开来抵消重力，他们称之为暗能量。在最被广泛接受的暗能量模型中，它是一个“宇宙常数”，是空间本身的固有属性，它有“负压力”将空间分开。随着空间的膨胀，更多的空间被创造出来，并随之产生更多的暗能量。根据观测到的膨胀率，科学家们知道，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它，因为暗能量并不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。天文学家们一直以来通过观测一些宇宙结构和物质受引力的影响以及能够探测到的辐射来研究这一概念。

2、什么是暗物质？

据研究，宇宙中大约84%的物质不能吸收也不能发出光线，这种物质被称为“暗物质”，它们既不能直接被看到，也不能被间接的方法检测到。与暗能量相似，暗物质的存在和性质是根据它对可见物质、辐射和宇宙结构的引力作用来推断出来的。这种神秘的物质被认为弥漫在星系的外围，可能由“弱相互作用的大粒子（WIMP）”组成。在世界范围内，有几个探测器在寻找暗物质，但到目前为止还没有发现。最近的一项研究表明，暗物质可能会在整个宇宙中形成长长的、细粒度的溪流，而这样的溪流可能会像头发一样从地球散发出来。

3、为什么会有时间轴？

为什么时间会一直持续向前推移？因为宇宙的一个属性叫做“熵”，大致定义为无序程度，只会增加，所以在发生熵变之后，就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的排列要多，所以当事物发生变化时，它们往往会陷入混乱。以此推测，宇宙之初物质应该是高度有序的，之后越来越混乱。但这里的基本问题是，为什么过去的熵如此之低？换一种方式，为什么宇宙一开始，有大量的能量被挤在一个小空间里的时候就如此有序？

4、平行宇宙存在吗？

天体物理数据表明，时空可能是“平的”，而不是弯曲的，而且它会永远持续下去。如果是这样的话，那么我们所能看到的区域（我们认为是“宇宙”）只是一个无限大的被拼接的多元宇宙中的一个“补丁”。与此同时，量子力学认为，在每个补丁中只能容纳有限数量的粒子（10^10^122个不同的可能性）。因此，在无限数量的宇宙斑块中，它们内部的粒子排列被迫重复无限多次。这意味着有无限多的平行宇宙：宇宙的补丁和我们的完全一样（那里包含一个和你完全一样的人）。你认为这种逻辑有什么问题吗，或者这种结果是真的吗？如果这是真的，我们如何探测到平行宇宙的存在呢？（笔者计划更新关于多元宇宙和无限宇宙的文章，欢迎关注）。

5、为什么物质比反物质要多？

反物质就是正常物质的镜像，正常原子由带正电荷的原子核构成，核外则是带负电荷的电子。但是，反物质的构成却完全相反，它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核。从根本上说，反物质就是物质的一种倒转的表现形式。按照物理学家假想，宇宙诞生之初曾经产生等量的物质与反物质，而两者一旦接触便会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。然而，出于某种原因，当今世界主要由物质构成，反物质似乎压根不存在于自然界。正反物质的不对称疑难，是物理学界所面临的一大挑战。这也被称为物质-反物质的不对称性。

6、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的因素：一种衡量宇宙中物质和能量密度的指标：Ω。如果Ω大于1，那么时空就会聚拢。当没有暗能量存在时，这样的宇宙最终会停止膨胀，取而代之的是开始收缩，最终在一个被称为“大危机”的事件中崩溃。如果宇宙是封闭的，但有暗能量，那么球形宇宙就会永远膨胀下去。如果Ω小于1，那么空间的几何形状就像马鞍的表面一样“打开”。在这种情况下，它的最终命运是“大冻结”，接着是“大撕裂”。首先，宇宙的向外加速会撕裂星系和恒星，使所有的物质都变得寒冷而孤独。接下来，加速度会变得非常之强，以至于它会压倒将原子聚集在一起的力的作用，所有的东西都会被扭开。如果Ω=1，宇宙就会是平的，像无限的平面向四面八方延伸。如果没有暗能量，这样一个平面宇宙将会永远膨胀，但会不断减速，接近停滞。如果有暗能量，平坦的宇宙最终会经历失控的膨胀，从而导致大撕裂。无论如何，宇宙可能正在消亡。

7、弦理论是正确的吗？

谈到弦论，人们就感到头晕脑胀，就算是弦论专家也烦恼不已，而其他物理学家则在一旁嘲笑它不能做出实验预测，普通人更是对它一无所知。弦理论是理论物理的一个分支学科，弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子，能量与物质是可以转化的，故弦理论并非证明物质不存在。它无法获得实验证明的原因之一是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测，另一个则是目前的高速粒子加速器还不够强大。科学家们使用目前的和正在筹备中的新一代的高速粒子加速器试图寻找超弦理论里主要的超对称性学说所预测的超粒子。

8、混乱之中存在有序吗？

虽然现在科学发展迅速，但物理学家并不能精确地解决一组描述流体行为的方程式，从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Navier-Stokes方程的一般解是否存在，或者，如果有解，它是否描述了流体，或者包含了固有的不可知的点（所谓的奇异点）。因此，混乱的本质还没有被很好地理解。物理学家和数学家们想知道，天气到底仅仅是难以预测的，还是天生不可预测的？湍流是否超越了数学描述，或者当你用正确的数学方法解决它时，一切都有意义吗？

9、黑洞里面发生了什么？

如果一个物体被吸入黑洞会发生什么？根据目前的理论，如果你把一个探测器扔进一个黑洞，你是无法取回任何信息的。这是因为黑洞的引力是如此之强，以至于它的逃逸速度比光速还快——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不能被摧毁。芝加哥洛约拉大学的物理学副教授罗伯特麦克内斯说：“如果你以某种方式消灭了这些信息，就会出现一些混乱。”这就是“信息悖论”。量子信息与我们在电脑上存储的信息和我们大脑中的东西有一点不同。这是因为量子理论没有提供关于物体的确切信息，比如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。麦克内斯说，关于这个问题上已经开展了很多工作，特别是史蒂芬霍金和斯蒂芬佩里，他们在2015年提出，进入黑洞的信息并没有被储存在黑洞的深处，而是在它的边界上，叫做“事件视界”。到目前为止，物理学家们无法就这一解释达成一致。

10、裸奇点存在吗?

所谓裸奇点是理论中没有视界包围住的引力奇点。在广义相对论中所描绘的黑洞是由奇点与包围住它的视界所构成，速度最快的光也无法逃脱到视界之外，因此理论上外界观察者无法直接观测到黑洞内部的现象。裸奇点则与之相反，光与其他粒子有机会逃离奇点至远方，而视界因此不存在。也就是说，以往我们以为造访黑洞里的奇异点是趟有去无回的旅程，但其实你却可以在非常接近裸奇点后全身而退，并叙述你此行的见闻。裸奇点的存在对于天文物理等领域来说有其重要性，其中之一是可能得以观察到星体坍缩成无限大密度的点的一些过程。另一方面，其存在与特性是对量子引力理论进行检验的良好机会。传统看法认为大质量恒星最终会坍塌成黑洞，但有些理论模型却预测那会形成“裸奇点”，这是天文物理上悬而未决的重要问题。

11、声波如何产生光？

听起来像天方夜谭。尽管粒子物理问题解释了许多未解决的问题，但在实验室仍然可以观察到一些谜团：声光是其中之一。如果你取一些水，用声波击中它，气泡就会形成。这些气泡是被高压包围的低压区，外部压力推动着内部低气压的空气，气泡很快就会破裂。当这些泡沫破裂时，它们会发出光，闪烁的时间是万亿分之一秒。

目前存在的问题是，光的来源还远不清楚。从微小的核聚变反应到某种类型的放电，甚至是气泡内部气体的压缩加热等理论都无法解释它。物理学家们测量了这些气泡内部的高温，竟然高达数万华氏度。他们并拍摄了大量的光的照片，但是，对于声波如何在气泡中产生这些光，仍没有一个很好的解释。

12、不管怎样，重力到底是什么？

重力到底是什么呢?其他的力是由粒子来调节的。例如，电磁学是光子的交换，弱核力由W和Z玻色子携带，而胶子携带着强大的核力，将原子核结合在一起。所有其他的力都可以被量子化，也就是说它们可以被表示成单独的粒子并且有非连续的值。

引力似乎不是这样的。大多数物理理论认为，它应该由一个叫做引力子的无质量粒子携带。问题是，还没有人找到引力子，而且还不清楚何种粒子探测器都能看到它们，因为如果引力子与物质相互作用，它们就会非常非常罕见地发生，所以它们很少会在背景噪音中被发现。引力子是无质量的，即使它们有质量，也应该非常非常小，比中微子还小，中微子是已知的最轻的粒子之一。弦理论假设引力子（和其他粒子）是闭合的能量循环，但是到目前为止，数学工作还没有对此产生多少见解。

一些物理学家如Theodor Kaluza和Oskar Klein认为，重力可能是另外维度上的粒子形成的，超越了我们熟知的时空所在的维度，但这是否正确仍然是未知的。

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