科普好文：当今物理学界12个悬而未决的难题 (转载）

1900年，英国物理学家开尔文曾说过：“未来的物理学已经不会有什么新发现了。剩下的只要越来越切确的丈量。”不外，三十年后，量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改动了那个预言。今天，没有一个物理学家敢断言我们对宇宙的物理常识接近于完成。相反，每一个新的发现似乎都解开了一个更大的、以至更深条理的物理问题的潘多拉盒子。在那篇文章里，你会领会到平行宇宙，为什么时间似乎只向一个标的目的挪动，以及宇宙的命运。 1、什么是暗能量？

紫外可见光谱的图像展现了遥远的宇宙，图上的星系正以超越光速的速度加速远离我们。但是重力的感化是向内部拉的，为什么星系会远离我们？为领会释那一点，天体物理学家提出了一种无形的前言，通过将时空分隔来抵消重力，他们称之为暗能量。在最被普遍承受的暗能量模子中，它是一个“宇宙常数”，是空间自己的固有属性，它有“负压力”将空间分隔。跟着空间的膨胀，更多的空间被缔造出来，并随之产生更多的暗能量。按照不雅测到的膨胀率，科学家们晓得，所有暗能量的总和必需占宇宙总含量的70%以上。但是没有人晓得若何去寻找它，因为暗能量其实不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法间接利用现有的手艺停止不雅测。天文学家们不断以来通过不雅测一些宇宙构造和物量受引力的影响以及可以探测到的辐射来研究那一概念。

2、什么是暗物量？

据研究，宇宙中大约84%的物量不克不及吸收也不克不及发出光线，那种物量被称为“暗物量”，它们既不克不及间接被看到，也不克不及被间接的办法检测到。与暗能量类似，暗物量的存在和性量是按照它对可见物量、辐射和宇宙构造的引力感化来揣度出来的。那种奥秘的物量被认为洋溢在星系的外围，可能由“弱彼此感化的大粒子（WIMP）”构成。在世界范畴内，有几个探测器在寻找暗物量，但到目前为行还没有发现。比来的一项研究表白，暗物量可能会在整个宇宙中构成长长的、细粒度的溪流，而如许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？

为什么时间会不断持续向前推移？因为宇宙的一个属性叫做“熵”，大致定义为无序水平，只会增加，所以在发作熵变之后，就没有法子逆转熵的上升。熵增加的事实是一个逻辑问题：粒子的无序摆列比有序的摆列要多，所以当事物发作变革时，它们往往会陷入紊乱。以此揣测，宇宙之初物量应该是高度有序的，之后越来越紊乱。但那里的根本问题是，为什么过去的熵如斯之低？换一种体例，为什么宇宙一起头，有大量的能量被挤在一个小空间里的时候就如斯有序？

4、平行宇宙存在吗？

天体物理数据表白，时空可能是“平的”，而不是弯曲的，并且它会永久持续下去。若是是如许的话，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“补钉”。与此同时，量子力学认为，在每个补钉中只能包容有限数量的粒子（10^10^122个差别的可能性）。因而，在无限数量的宇宙斑块中，它们内部的粒子摆列被迫反复无限屡次。那意味着有无限多的平行宇宙：宇宙的补钉和我们的完全一样（那里包罗一个和你完全一样的人）。你认为那种逻辑有什么问题吗，或者那种成果是实的吗？若是那是实的，我们若何探测到平行宇宙的存在呢？（笔者方案更新关于多元宇宙和无限宇宙的文章，欢送存眷）。

5、为什么物量比反物量要多？

反物量就是一般物量的镜像，一般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，反物量的构成却完全相反，它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核。从底子上说，反物量就是物量的一种倒转的表示形式。根据物理学家设想，宇宙降生之初曾经产生等量的物量与反物量，而两者一旦接触便会彼此湮灭抵消，发作爆炸并产生庞大能量。然而，出于某种原因，当今世界次要由物量构成，反物量似乎压根不存在于天然界。正反物量的不合错误称疑难，是物理学界所面对的一大挑战。那也被称为物量-反物量的不合错误称性。

6、宇宙的命运是什么？

宇宙的命运在很大水平上取决于一个未知的因素：一种权衡宇宙中物量和能量密度的目标：Ω。若是Ω大于1，那么时空就会聚拢。当没有暗能量存在时，如许的宇宙最末会停行膨胀，取而代之的是起头收缩，最末在一个被称为“大危机”的事务中瓦解。若是宇宙是封锁的，但有暗能量，那么球形宇宙就会永久膨胀下去。若是Ω小于1，那么空间的几何外形就像马鞍的外表一样“翻开”。在那种情况下，它的最末命运是“大冻结”，接着是“大扯破”。起首，宇宙的向外加速会扯破星系和恒星，使所有的物量都变得冰冷而孤单。接下来，加速度会变得十分之强，以致于它会压服将原子聚集在一路的力的感化，所有的工具城市被扭开。若是Ω=1，宇宙就会是平的，像无限的平面向四面八方延伸。若是没有暗能量，如许一个平面宇宙将会永久膨胀，但会不竭减速，接近停滞。若是有暗能量，平展的宇宙最末会履历失控的膨胀，从而招致大扯破。无论若何，宇宙可能正在消亡。

7、弦理论是准确的吗？

谈到弦论，人们就感应头晕脑胀，就算是弦论专家也懊恼不已，而其他物理学家则在一旁讪笑它不克不及做出尝试预测，通俗人更是对它一无所知。弦理论是理论物理的一个分收学科，弦论的一个根本概念是，天然界的根本单位不是电子、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”（包罗有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。弦的差别振动和运动就产生出各类差别的根本粒子，能量与物量是能够转化的，故弦理论并不是证明物量不存在。它无法获得尝试证明的原因之一是目前尚没有人对弦理论有足够的领会而做出准确的预测，另一个则是目前的高速粒子加速器还不敷强大。科学家们利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次要的超对称性学说所预测的超粒子。

8、紊乱之中存在有序吗？

固然如今科学开展敏捷，但物理学家其实不能切确地处理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，我们还不晓得所谓的Navier-Stokes方程的一般解能否存在，或者，若是有解，它能否描述了流体，或者包罗了固有的不成知的点（所谓的奇异点）。因而，紊乱的素质还没有被很好天文解。物理学家和数学家们想晓得，气候到底仅仅是难以预测的，仍是生成不成预测的？湍流能否超越了数学描述，或者当你用准确的数学办法处理它时，一切都有意义吗？

9、黑洞里面发作了什么？

若是一个物体被吸入黑洞会发作什么？按照目前的理论，若是你把一个探测器扔进一个黑洞，你是无法取回任何信息的。那是因为黑洞的引力是如斯之强，以致于它的逃逸速度比光速还快——而光是最快的工具。然而，一个叫做量子力学的科学分收说量子信息不克不及被摧毁。芝加哥洛约拉大学的物理学副传授罗伯特麦克内斯说：“若是你以某种体例覆灭了那些信息，就会呈现一些紊乱。”那就是“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工具有一点差别。那是因为量子理论没有供给关于物体确实切信息，好比计算一个棒球在力学中的轨迹。相反，那些理论提醒了最有可能的位置，或者是一些动作最有可能的成果。麦克内斯说，关于那个问题上已经开展了良多工做，出格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贮存在黑洞的深处，而是在它的鸿沟上，叫做“事务视界”。到目前为行，物理学家们无法就那一解释达成一致。

10、裸奇点存在吗?

所谓裸奇点是理论中没有视界包抄住的引力奇点。在广义相对论中所描画的黑洞是由奇点与包抄住它的视界所构成，速度最快的光也无法逃脱到视界之外，因而理论上外界察看者无法间接不雅测到黑洞内部的现象。裸奇点则与之相反，光与其他粒子有时机逃离奇点至远方，而视界因而不存在。也就是说，以往我们认为拜访黑洞里的奇异点是趟有去无回的路程，但其实你却能够在十分接近裸奇点后全身而退，并论述你此行的见闻。裸奇点的存在关于天文物理等范畴来说有其重要性，此中之一是可能得以察看到星体坍缩成无限大密度的点的一些过程。另一方面，其存在与特征是对量子引力理论停止查验的优良时机。传统观点认为大量量恒星最末会坍塌成黑洞，但有些理论模子却预测那会构成“裸奇点”，那是天文物理上悬而未决的重要问题。

11、声波若何产生光？

听起来像天方夜谭。虽然粒子物理问题解释了许多未处理的问题，但在尝试室仍然能够察看到一些谜团：声光是此中之一。若是你取一些水，用声波击中它，气泡就会构成。那些气泡是被高压包抄的低压区，外部压力鞭策着内部低气压的空气，气泡很快就会分裂。当那些泡沫分裂时，它们会发出光，闪灼的时间是万亿分之一秒。

目前存在的问题是，光的来源还远不清晰。从细小的核聚变反响到某品种型的放电，以至是气泡内部气体的压缩加热等理论都无法解释它。物理学家们丈量了那些气泡内部的高温，竟然高达数万华氏度。他们并拍摄了大量的光的照片，但是，关于声波若何在气泡中产生那些光，仍没有一个很好的解释。

12、不管如何，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理的。例如，电磁学是光子的交换，弱核力由W和Z玻色子照顾，而胶子照顾着强大的核力，将原子核连系在一路。所有其他的力都能够被量子化，也就是说它们能够被暗示成零丁的粒子而且有非持续的值。

引力似乎不是如许的。大大都物理理论认为，它应该由一个叫做引力子的无量量粒子照顾。问题是，还没有人找到引力子，并且还不清晰何种粒子探测器都能看到它们，因为若是引力子与物量彼此感化，它们就会十分十分稀有地发作，所以它们很少会在布景噪音中被发现。引力子是无量量的，即便它们有量量，也应该十分十分小，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）是闭合的能量轮回，但是到目前为行，数学工做还没有对此产生几见解。

一些物理学家如Theodor Kaluza和Oskar Klein认为，重力可能是别的维度上的粒子构成的，超越了我们熟知的时空所在的维度，但那能否准确仍然是未知的。