物理学的18个未解难题

　    物理学的18个未解难题。

　　1、暗物质和暗能量是什么？

　　我们所了解的普通物质只占宇宙总物质的5%。其余95%要么是暗物质，要么是暗能量。暗物质似乎只通过引力相互作用，其特性目前还未知。暗能量让宇宙加速膨胀，其特性也未知。解开这两个未知之谜对理解宇宙至关重要。

　　2、是否存在相互作用的平行宇宙？

　　假设宇宙是无限大的，那么在足够大的尺度上，必定会重复出现完全相同的大量宇宙区域。这意味着存在无数平行宇宙：某区域内的粒子排列方式与我们的宇宙完全相同，以及相差一个粒子位置的宇宙、相差两个粒子位置的宇宙，如此类推至与我们的宇宙完全不同的宇宙。

　　这个逻辑正确吗？如果正确，我们如何探测平行宇宙的存在？这个难题探讨了“无限宇宙”会意味着什么。

　　为什么宇宙中物质明显多于电荷和自旋方向相反的反物质？这个问题实际上是询问为何宇宙中存在任何物质。人们认为宇宙应该对物质和反物质具有对称性，所以宇宙大爆炸时应产生同量的物质和反物质。但如果真是如此，两者应彻底相互湮灭：质子与反质子相抵消，电子与正电子(正子)相抵消，中子与反中子相抵消，如此等等，仅留下一片充满光子的无物质空间。由于某种原因，多出的某种物质没有被湮灭，于是我们便存在于此。这个原因至今未知。

　　2015年8月公布的物质与反物质差异的最精确测量结果确认两者是完全镜像，却无法帮助理解物质为何远比反物质普遍这一之谜。

　　4、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子：Ω，它是整个宇宙中物质和能量密度的度量。如果Ω大于1，则空间会“封闭”成巨大的球面。如果没有暗能量，这样的宇宙最终会停止膨胀并开始收缩，最终在所谓的“大崩溃”中坍缩。如果宇宙封闭但存在暗能量，球状宇宙会永远膨胀。

　　或者，如果Ω小于1，则空间几何形状开放如马鞍面。在这种情况下，其最终命运是“大冻结”后“大撕裂”：首先，宇宙的加速膨胀会撕裂星系和恒星，使一切物质离析;然后，宇宙持续冷却至绝对零度。如果Ω恰等于1，宇宙的空间几何将是平坦的，并将在极远未来达至热寂。 宇宙的最终命运取决于Ω的值，而Ω的值目前尚不清楚。更精确地测量宇宙中物质和能量的总量将有助于弄清楚这个未知数值。理解宇宙的命运对理解现实或现实是否存在至关重要。

　　5、弦理论是否正确？

　　当物理学家假设所有基本粒子实际上都是一维环，或“弦”，每个弦振动频率不同时，物理学变得更简单。弦理论允许物理学家协调粒子遵循的定律(称量子力学)与空时遵循的定律(广义相对论)，并将四种基本力量统一在一个框架下。

　　问题在于，弦理论只在拥有10或11维的宇宙中有效：三个大的空间维度，六或七个紧致的空间维度和一个时间维度。紧致的空间维度以及振动的弦本身约为原子核大小的十万亿分之一。目前没有任何方法可以探测如此小的东西，因此目前没有已知方法可以实验验证或否定弦理论。

　　最后，我们结束在混沌……

　　6、混沌中有秩序吗？

　　物理学家无法精确解决描述液体行为的方程组，从水到空气再到所有其他液体和气体。事实上，尚不清楚所谓的Navier-Stokes方程组是否存在通解，或者，如果存在解，它是否在所有地方描述液体，或是否包含必然未知的点，称为奇点。因此，混沌性质目前还不太理解。物理学家和数学家想知道，天气仅仅难以预测，还是本质上不可预测？湍流是否超出数学描述，或者当用适当的方法处理时是否全部都讲得通？恭喜你完成这份重要话题清单。

　　7、宇宙的各种力量是否合而为一？

　　宇宙经历四种基本力量：电磁力、强核力、弱相互作用(也称为弱核力)和引力。迄今为止，物理学家知道，如果增加足够的能量，例如在粒子加速器内这三种力量会“统一”成为一种单一的力量。物理学家已经运行粒子加速器，统一了电磁力和弱相互作用，在更高的能量下，强核力和最终的引力也应如此。

　　但是，尽管理论说应该这样，但自然并不总是如人们所愿。到目前为止，没有粒子加速器达到足够高的能量来统一强核力与电磁力和弱相互作用。包括引力意味着更高的能量。甚至不清楚科学家是否能建造如此强大的加速器。位于日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)可以使粒子相互碰撞，其能量达到数万亿电子伏特(约14万亿电子伏特或TeV)。要达到大统一理论能量，粒子至少需要10万亿倍的能量，因此物理学家只能寻找此类理论的间接证据。

　　除了能量问题外，大统一理论(GUT)仍然存在一些问题，因为它们预测的其他观测结果到目前为止并未实现。有几种GUT认为，质子在极长的时间跨度内(约10^36年)应转变成其他粒子。这从未观测到，所以要么质子的寿命比任何人想象的都长，要么它们真的永远稳定。某些类型的GUT预测的另一点是存在磁单极子(磁铁的孤立“北极”和“南极”)也没有人看到过。可能我们的粒子加速器还不够强大。或者，物理学家对宇宙的工作原理可能是错误的。

　　8、黑洞内部发生了什么？

　　物体的信息会如何？根据目前的理论，如果你将一个铁立方体投入黑洞，那将没有任何方法可以取回任何信息。这是因为黑洞的引力如此之强，其逃逸速度快于光速，因此没有任何信号能从黑洞内部逃逸。然而，量子力学的一个分支声称信息不可能被完全湮灭。“如果你以某种方式湮灭了这些信息，某些东西就会出错。”洛约拉大学芝加哥分校物理学副教授罗伯特·麦克尼斯说。

　　量子信息与我们以1和0的形式存储在计算机中的信息或大脑中的信息有些不同。这是因为量子理论不会提供对象确切位置等精确信息，就像计算一个棒球的轨道一样。相反，这些理论会显示最可能的位置或某个行动最可能的结果。因此，各种事件的概率之和应为1，或100%。(例如，当你掷一个六面骰子时，某一面向上的机会是六分之一，所以所有面向上的概率之和为1，你不会超过100%肯定某件事会发生。)因此，量子理论被称为单一的。如果你知道一个系统如何结束，你可以计算它如何开始。

　　描述黑洞，你只需要质量、角动量(如果它在旋转)和电荷。黑洞除了缓慢渗出的热辐射(所谓的霍金辐射)外什么也不会释放。据所知，没有任何方法可以进行逆推算，以确定黑洞实际吞食了什么。信息被销毁。然而，量子理论声称信息不可能完全失去。这就是所谓的“黑洞信息悖论”。

　　麦克尼斯说，这方面有很多工作，尤其值得注意的是斯蒂芬·霍金和斯蒂芬·佩里在2015年的工作。他们建议，信息不是储存在黑洞深处的事件视界内，而是被编码在其表面。许多其他人也试图解决这个悖论。到目前为止，物理学家对解释意见不一，可能在相当长时间内仍存在分歧。

　　9、裸奇点存在吗？

　　奇点是某个“物体”的某些属性达到无限，因此我们所知的物理定律失效的地方。黑洞的中心是一个无限渺小且密集(含有有限数量的物质)的点——这个点被称为奇点。在数学中，奇点随处可见——除以零就是一个例子，坐标平面上的垂直线具有“无限”的斜率。事实上，垂直线的斜率只是未定义的。但是，奇点会是什么样子？它与宇宙的其余部分会起何种相互作用？说某物没有真正的表面和无限小意味着什么？

　　“裸奇点”是可以与宇宙其余部分相互作用的奇点。黑洞有事件视界——这是一个球形区域，没有任何东西，甚至连光都无法逃逸。乍一看，您可能会认为裸奇点问题至少在黑洞方面得到部分解决，因为任何东西都无法逃出事件视界，奇点无法影响宇宙的其余部分。(可以说，它“被覆盖”，而裸奇点是一个没有事件视界的黑洞。)

　　但是，奇点是否可以在没有事件视界的情况下形成，这仍然是一个开放的问题。如果它们真的存在，那么爱因斯坦的广义相对论将需要修订，因为在太接近奇点的系统中它会失效。裸奇点也可能充当虫洞，这也将是时光机——尽管自然界没有这方面的证据。

　　10、违反电荷-空间对称性

　　如果将一个粒子与其反物质同胞交换，物理定律应该保持不变。因此，例如，带正电荷的质子应该看起来与带负电荷的反质子相同。这就是电荷对称性原理。如果交换左右，物理定律再次应该看起来相同。这就是空间对称性。两者在一起被称为CP对称性。大多数时候，这条物理规则不会被违反。但是，某些奇异粒子违反这种对称性。麦克尼斯说，这就是为什么这很奇怪。“量子力学中不应该有任何违反CP的情况，”他说。“我们不知道为什么会这样。”

　　如果交换一个粒子及其反物质同胞，定律理应保持不变。所以质子带正电，应与反质子带负电看起来相同。这是电荷对称原理。如果左右交换，定律再度应相同。这是空间对称。两者合称CP对称。多数时候此物理规则不违反。然某些奇异粒子违反此对称。麦克尼斯说，故此奇怪。“量子力学中不应违反CP，”他说。“我们不知为何如此。”

　　若将一粒子其反物质同类换置，定则应相同。故正电质子应与负电反质子相同。此为电荷对称原理。若左右换置，定则再应相同。此为空间对称。两者合称CP对称。通常此物理规则不违反。然某些奇特粒子违反此对称。麦克尼斯说，故奇怪。“量子力学中不应违反CP，”他说。“我们不知何故如此。”

　　11、当声波产生光时

　　尽管许多未解之谜源自粒子物理学，但某些谜题可以在实验室的工作台上观察到。声发光就是其中之一。如果你在水中产生声波，会形成气泡。这些气泡是低压区域，外部高压会推挤低压空气，气泡很快就会坍缩。当这些气泡坍缩时，会发出光，闪光持续万亿分之一秒。

　　问题是，光的来源尚不清楚。理论范围从微型核聚变反应到某种电放电，甚至是气泡内气体的压缩加热。物理学家已经测量了气泡内极高的温度，高达数万华氏度，并拍摄了它们产生的光。但是，没有令人信服的解释说明声波如何在气泡中产生这些光。

　　12、标准模型之外是什么？

　　标准模型是有史以来最成功的物理理论之一。它经受住了40年来检验它的各种实验，新实验继续显示它是正确的。标准模型描述了组成我们周围一切的粒子的行为，也解释了为什么，例如，粒子具有质量。事实上，2012年发现的希格斯玻色子(给予物质质量的粒子)是历史性的里程碑，因为它确认了长期以来预测其存在的预测。但标准模型并不能解释一切。标准模型已经成功预测了许多东西，例如希格斯玻色子、W和Z玻色子(它们调控放射性的弱相互作用)以及夸克，所以很难看出物理学可能超越它。尽管如此，大多数物理学家同意标准模型并不完整。有几个竞争理论可以作为更完整的模型，弦论就是其中一个模型，但到目前为止，没有一个理论被实验明确证实。

　　13、基本常数

　　无量纲常数是没有单位的数。光速，例如，以米每秒(或每秒18万6282英里)为单位进行测量。与光速不同，无量纲常数没有单位，可以测量，但无法从理论中推导，而光速等常数可以。

　　在天文学家马丁·里斯的书《只有六个数字：塑造宇宙的深层力量》(Basic Books，2001年)中，他重点介绍了他认为对物理学至关重要的某些“无量纲常数”。事实上，这远不止六个;标准模型中约有25个。

　　例如，精细结构常数，通常写为α，控制着磁相互作用的强度。它约为0.007297。使这个数字变得奇怪的是，如果它有任何不同，稳定的物质就不会存在。另一个例子是许多基本粒子的质量与普朗克质量(1.22 ×10GeV / c²)的比值。物理学家不知道为什么这些比值采取它们所采取的值。如果任何常数的值有所不同，宇宙就不会如今天这样。

　　里斯认为，对这些常数的值进行精细调整来产生充足的碳和氧来支持生命是“令人费解的巧合”。他推测，也许这些值在不同的宇宙中会有所不同。如果真是如此，那么生命需要的特定值组合可能会非常罕见。“在多宇宙假说中，生命甚至可能是非常罕见的，”里斯写道。“在大多数宇宙中，物理学常数的任意微小变化都可能导致稳定的化学物质的不存在以及生命的不可能。”因此，理解这些无量纲常数的数值有什么含义及其修改会导致什么后果，这些都是物理学家面临的重大未解之谜。现在还没有令人信服的理论解释为什么这些值是它们所采取的数值。“我们需要一种理论，一种量子理论，来说明为什么这些常数具有观察到的值，”麦克尼斯说。

　　14、引力是到底什么？

　　到底什么是引力？其他力量是由粒子传递的。例如，电磁力是光子交换引起的。弱核力是由W和Z玻色子传递的，而胶子传递强核力，使原子核紧密结合。麦克尼斯说，其他所有力量都可以量化，这意味着它们可以表示为单个粒子并具有非连续的值。

　　引力似乎不是这样的。大多数物理理论认为，它应该由一种假想的无质量粒子引力子来传递。问题是，至今还没有找到引力子，而且不清楚是否可以建造任何能检测到它们的粒子探测器，因为如果引力子与物质相互作用，它们的相互作用频率非常非常低——如此之低，以至于它们会消失在背景噪声中。甚至不清楚引力子是否无质量，尽管如果它们有任何质量，这质量也非常非常小——比中微子更小，中微子是已知最轻的粒子之一。弦理论假定引力子(和其他粒子)是封闭的能量回路，但数学工作到目前为止并未产生太多洞见。

　　由于引力子还未被观测到，引力一直难以理解为我们理解其他力那样——粒子交换。一些物理学家，特别是泰奥多尔·卡鲁扎和奥斯卡·克莱因认为，引力可能在我们熟悉的三维空间(长度、宽度和高度)和一维时间(持续时间)之外的额外维度中以粒子的形式运作，但这是否属实尚不得而知。

　　15、我们生活在虚假的真空中吗？

　　宇宙似乎相对稳定。毕竟，它已经存在约138亿年了。但是，如果整个宇宙是一个巨大的意外呢？

　　一切都始于希格斯粒子和宇宙的真空。真空或空间应该具有最低可能的能量状态，因为里面没有任何东西。与此同时，希格斯玻色子——通过所谓的希格斯场——使一切具有质量。加利福尼亚大学洛杉矶分校物理学和天文学教授亚历山大·库森科在《物理学》期刊上写道，真空的能量状态可以从希格斯场的势能能量以及希格斯粒子和顶夸克(一种基本粒子)的质量计算得出。

　　到目前为止，这些计算似乎显示宇宙的真空可能不是最低可能的能量状态。这意味着它是一个虚假的真空。如果属实，我们的宇宙可能不是稳定的，因为虚假真空可以通过足够激烈和高能的事件降至较低的能量状态。如果发生这种情况，会产生所谓的气泡成核现象。较低能量真空的球体会以光速开始增长。什么也不会幸免，甚至连物质本身也不会。实际上，我们将用另一个宇宙来代替现有宇宙，该宇宙可能具有非常不同的物理定律。

　　这听起来很可怕，但鉴于宇宙仍然存在，显然迄今为止还没有发生这样的事件，天文学家已经观察到伽马射线暴、超新星和类星体，所有这些都是相当高能量的事件。所以，这种可能性很小，我们大可不必太担心。也就是说，虚假真空的概念意味着我们的宇宙可能正是通过这种方式突然出现的，当先前宇宙的虚假真空被击入较低的能量状态时。或许我们就是某个粒子加速器意外的结果。

　　16、磁铁的两极是什么？

　　磁铁有一个北极和一个南极。然而，任何人都未直接观测过这两个极点——我们只观测到它们的作用。这两个极点可能只是人为定义的事件：采取定向的场线会集中在某一点并涌出，这点就是所谓的“北”极，而相反的点就是“南”极。实际上，没有人看到过这些点——我们的加速器可能还不够强大。或者，物理学家对宇宙的认识可能有误。

　　17、光子有质量吗？

　　根据爱因斯坦的相对论，光子应没有静止质量。这意味着理论上，光速应为最大速度，而光子的能量仅取决于其频率。当然，这与实验测量非常一致。

　　然而，量子力学的某些版本要求所有粒子都具有一定量的轻微质量，以保证因果性和能量守恒等概念。事实上，某些理论如矢量-张量理论和Kaluza-Klein理论预测，光子的质量最高可达10eV/c2，小得难以置信，但仍然非零。目前的实验限制光子的质量上限约为10eV/c²，所以还无法完全排除这些理论。

　　如果确实发现光子有非零质量，那么相对论和量子力学之间的矛盾将变得更加尖锐，需要一个更高层次的理论来协调二者。发现光子的非零质量将是一项重大发现，必将导致物理学的重大转变。然而，许多物理学家认为，寻找如此之小的质量可能是徒劳的，相对论的初始假设，光速是最大速度，光子没有静止质量，可能依然正确。

　　18、黑体辐射的具体机制是什么？

　　黑体是完美的辐射物体：它吸收落入其上的所有电磁辐射，内部将其转化为热能。根据普朗克公式，黑体会以光谱连续方式再发出这些能量。这个过程被称为黑体辐射，其光谱遵循普朗克曲线。

　　问题是，黑体辐射的具体机制尚不清楚。为何会有这样的光谱？为何曲线的形状是给出的形式？普朗克在1901年提出了著名的普朗克公式来描述这一现象，但他自己也不清楚其物理机制。“在当时，有许多理论家努力理解电磁辐射的本性，”麦克尼斯说。“普朗克设法找到一种数学关系来匹配实验数据，但他并不知道其物理意义。”

　　事实上，直到1926年，齐奥多尔·希尔伯特提出波-粒二相性之前，人们才开始理解普朗克公式背后的物理机制。希尔伯特认为，电磁场由离散的量子组成，每一个量子的能量取决于其频率。这一概念随后被称为“光子”。普朗克公式描述了黑体内部光子所具有的可能的各种能量。该理论获得广泛接受，但仍未完全解决这个难题。“我们现在有了更好的理解，”麦克尼斯说，“但黑体辐射的某些方面仍存在争议。”例如，“我们无法从第一原理得到普朗克公式中的精确常数。”理解黑体辐射及其各种参数的最深层物理机制依然是理论物理学的重要课题。