物理学中18个最大的未解之谜上篇内容,物理史上的未解难题

简介

​1900年，英国物理学家开尔文勋爵曾说过:“现在物理学中没有什么新发现。”剩下的就是越来越精确的测量。不到30年，量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改变了这个领域。今天，没有一个物理学家敢断言我们对宇宙的物理知识已经接近完成。相反，每一个新发现似乎都打开了一个潘多拉的盒子，里面装着更大、更深奥的物理学问题。这些是我们对所有问题中最深刻的开放性问题的选择。

在这篇文章里你将会学到平行宇宙，为什么时间似乎只朝一个方向移动，为什么我们不理解混沌等等很多物理学的前沿问题，打开脑洞吧。

NO.1 暗能量是什么?

​​无论天体物理学家如何计算这些数字，宇宙根本就不会加起来。尽管引力对时空——宇宙的“结构”——的作用是向内拉，但它向外扩张的速度却越来越快。为了解释这一点，天体物理学家们提出了一种无形的物质，它通过挤压时空来抵消重力。他们称之为暗能量。在最广泛接受的暗能量模型中，它是一个“宇宙常数”:空间本身的固有属性，它具有“负压力”驱动空间。随着空间的扩大，更多的空间被创造出来，随之而来的是更多的暗能量。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。但没有人知道如何去寻找它。近年来，最优秀的研究人员在暗能量可能隐藏的地方所做的研究非常有限，这也是2015年8月发表的一项研究的主题。

NO.2 暗物质是什么?

​显然，宇宙中大约84%的物质不吸收或不发光。“暗物质”，就像它被叫的那样，它不能直接被观测到，也还没有被间接探测到。相反，暗物质的存在和性质从它对可见物质、辐射和宇宙结构的引力作用推断出来。这种阴暗的物质被认为遍布星系的外围，可能由“弱相互作用的大质量粒子”或弱相互作用粒子组成。在世界范围内，有几个探测器在寻找弱相互作用大质量粒子，但到目前为止，还没有发现一个。最近的一项研究表明，暗物质可能在整个宇宙中形成长而细的溪流，而这些溪流可能像毛发一样从地球上辐射出来。

NO.3 为什么会有时间之箭?

​时间在前进，因为宇宙的一个属性叫做“熵”，粗略地定义为无序程度，它只会增加，所以在它发生后，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排列要多，因此随着事物的变化，它们往往会陷入混乱。但这里潜在的问题是，为什么熵在过去这么低?换句话说，为什么宇宙从一开始就如此有序，当大量的能量被挤在一小块空间里?

NO.4 有平行宇宙?

​天体物理数据表明，时空可能是“平坦的”，而不是弯曲的，因此它会一直持续下去。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“多重宇宙”中的一个板块。同时,量子力学的定律规定,只有有限数量的粒子可能配置在每个宇宙板块(10 ^ 10^ 122不同的可能性)。所以，有无数的宇宙板块，其中的粒子排列被迫重复无限次。这意味着有无限多个平行的宇宙:宇宙和我们的宇宙板块完全相同(包含了和你完全一样的人)，以及板块与一个粒子的位置不同，板块与两个粒子的位置不同，等等，直到与我们的完全不同。

这种逻辑有什么问题吗，或者它的怪异结果是真的吗?如果这是真的，我们怎么可能探测到平行宇宙的存在呢?

NO.5 为什么物质比反物质多?

​为什么物质比其双生体，电荷相反和旋转方向相反的反物质要多得多，这实际上是一个关于为什么所有物质都存在的问题。人们假设宇宙会对称地对待物质和反物质，因此，在大爆炸的那一刻，应该产生等量的物质和反物质。但如果发生这种情况，这两种物质就会完全湮灭:质子会被反质子抵消，电子会被反电子(正电子)抵消，中子会被反中子抵消，等等，在无物质的广阔空间中，留下一片光子的海洋。由于某些原因，有多余的物质没有被湮灭，所以才导致我们诞生在这里。对此，没有公认的合理解释。2015年8月公布的迄今为止最详细的反物质和反物质差异测试，证实了它们是彼此的镜像，为理解为什么物质要普遍得多这一谜题提供了新途径。

NO.6 宇宙的命运是什么?

​​宇宙的命运很大程度上取决于一个因素的未知值:Ω,衡量整个宇宙的物质和能量密度。如果Ω大于1,那么时空将像一个巨大的球体的表面一样“封闭”。如果没有暗能量，这样的宇宙最终将停止膨胀，而是开始收缩，最终坍缩成一个被称为“大紧缩”的事件。如果宇宙是封闭的，但有暗能量，球形宇宙将永远膨胀。

或者,如果Ω小于1,那么空间将像马鞍那样的几何表面一样的“开放”。在这种情况下，它的最终命运是“大冻结”，然后是“大撕裂”:首先，宇宙的向外加速会撕裂星系和恒星，使所有的物质变得寒冷和孤独。接下来，加速度会变得如此之大，以至于它会压倒将原子结合在一起的力的影响，一切都会被扭曲。

如果Ω= 1,宇宙是平坦的,就像一个在所有的方向都无限平坦的平面。如果没有暗能量，这样一个平面宇宙将会永远膨胀，但会以不断减速的速度，接近静止。如果存在暗能量，平坦的宇宙最终将经历失控的膨胀，导致大撕裂。不管结果如何，宇宙正在消亡，天体物理学家保罗萨特(Paul Sutter)在2015年12月发表的一篇文章中详细讨论了这一事实。

NO.7 测量如何破坏量子波函数?

​在电子、光子和其他基本粒子的奇异领域，量子力学是定律。粒子不像小球那样运动，而是像在一个大区域上传播的波。每个粒子都由一个“波函数”或概率分布来描述，它告诉我们它的位置、速度和其他属性更可能是什么，而不是这些属性是什么。粒子实际上对所有性质都有一个取值范围，直到你实验测量其中的一个——比如它的位置——在这个点上粒子的波函数“坍缩”，它只确定一个位置。

但是，测量一个粒子的波函数为什么会导致坍缩的，又是如何导致坍缩的？坍缩是怎么产生我们认为存在的具体现实世界呢?这个问题，也就是所谓的测量问题，可能看起来很深奥，但是我们对现实是什么或者它是否存在的理解，取决于这个问题的答案。

NO.8 弦理论是正确的吗?

​当物理学家假设所有基本粒子实际上都是一维的循环，或者“弦”，每一个都以不同的频率振动，物理学就变得容易多了。弦理论使物理学家能够调和支配粒子的定律(量子力学)和支配时空的定律(广义相对论)，并将自然界的四种基本力量统一为一个单一的框架。但问题是，弦理论只能在一个有10或11个维度的宇宙中工作:3个大的空间维度，6或7个压缩的空间维度，以及一个时间维度。

压缩的空间维度——以及振动弦本身——大约是原子核大小的万亿分之一。没有任何方法可以检测到这么小的东西，所以也没有已知的方法来实验验证或证明弦理论无效。

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《物理学中18个最大的未解之谜（下篇）》

物理学未解之谜

100年前，德因数学家戴维·希尔伯特在巴黎的国际数学家大会上以一番发人深省的
话语开始了他划时代的讲话。他在讲话中罗列了当时尚未解决的23个重大难题。希尔伯特
宣称：“—个伟大时代的结束，不仅要求我们回首过去，而且还引导我们回首对未知的将
来进行深思。”随着又一个世纪——实际上是整整一个千年纪元——的结束，有一种要求
显得比以往任何时候更为紧迫，那就是通过罗列最引人入胜的宇宙之谜来显示人类的无知
。
今年5月，马萨诸塞州剑桥的克莱数学学会仿效希尔伯特，在巴黎宣布了7道“千年大
奖难题”，每道题悬赏100万美元征求解答。
无独有偶，上月，存圣巴巴拉加州大学，物理学家们像通常那样不事张扬地结束了一
次有关超弦理论的会议。他们的最后一次讨论题为“干年疯狂”，议程是挑选出他们领域
中10个最匪夷所思的问题。这就像是一场由科学界最聪明的一批人参加的荒岛游戏。
圣巴巴拉加州大学的理论物理学家戴维·格罗斯在公布选出的问题时说：“我是这样
考虑的：如果我从现在起昏迷100年，当我醒来时，我会问什么问题。”
在剔除一些大法问答的问题(例如“怎样获得终身职位?”)后，评委们列出了足够让
物理学家忙上100年的难题。尽管没有任何悬赏，不过，解决下列问题中的任何一个差不
多都能保证获得诺贝尔奖。
1．表达物理世界特征的所有(可测量的)无量纲参数原则上是否都可以推算，或者是否存
在一些仅仅取决于历吏或量子力学偶发事件，因而也是无法推算的参数?
爱因斯坦的表述更为清楚：上帝在创造宇宙时是否有选择?想象上帝坐在控制台前，
准备引发宇宙大爆炸。“我该把光速定在多少?”“我该让这种名 叫电子的小点带多少电
荷?”“我该把普朗克常数——即决定量子大小的参数——的数值定在多大?”他是不是为
了赶时间而胡乱抓来几个数字?抑或这些数值必须如此，因为其中深藏着某种逻辑?
2．量子引力如何帮助解释宇宙起源?
现代物理学的两大理论是标准模型和广义相对论。前者利用量子力学来描述亚原子粒
子以及它们所服从的作用力，而后者是有关引力的理沦。很久以来，物理学家希望合二为
一，得到一种“万物至理”——即量子引力论，以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何
随着大爆炸自然地诞生的。实现这种融合的首要候选理论是超弦理论，或者叫 M理论——
这是其名称的最新“升级版”，M代表“魔法”( magic)、“神秘”( mystery)或“所有
理论之母”( mother of alltheories)。
3．质子的寿命有多长，如何来理解?
以前人们认为质子与中子不同，它永远不会分裂成更小的颗粒。这曾被当成真理。然
而在70年代，理论物理学家认识到，他们提出的各种可能成为“大一统理论”——该理论
把除引力外的所有作用力汇于一炉——的理论暗示：质子必须是不稳定的。只要有足够长
的时间，在极其偶然的情况下，质子是会分裂的。
办法是捕捉到正在死去的质子。许多年来，实验人员一直在地下实验空中密切注视大
型的水槽，等待着原子内部质子的死去。但迄今未止质子的死亡率是零，这意味着要么质
子十分稳定，要么它们的寿命很长——估计在10亿亿亿亿年以上。
4．自然界是超对称的吗？如果是，超对称性是如何破灭的?
许多物理学家认为，把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理论要求证明两种
差异极大的粒子实际上存在密切的关系，这种关系就是所谓的超对称现象。
第一种粒子是费密子，可以把它们粗略地说成是物质的基本组件，就像质子、电子和
中子一样。它们聚集在一起组成物质。另一种粒子是玻色子，它们是传递作用力的粒子，
类似于传递光的光子。在超对称的条件下，每一个费密子都有一个与之对应的玻色子，反
之亦然。
物理学家有杜撰古怪名字的冲动，他们把所谓的超级对称粒子称为“Sparticle”。
但由于在自然界 中还没有观察到5particle，物理学家还需要解释这种对称性“破灭”的
原因：随着宇宙冷却并凝结成现在的这种不对称状态，在其诞生之际所存在的数学上的完
美被打破了。
5．为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数?
这只是因为还没有想到一个可以接受的答案，只是因为除了上下、左右、前后，人们
无法想像在更多的方向 上运动。这并不意味着宇宙原本就是这样的。实际上，根据超弦
理论，肯定还存存着另外六个维数，每一维都呈卷曲状，十分微小，因而无法察觉。如果
这一理论是正确的，那么为什么只有这三个维数是伸展开来的，留给我们这个相对幽闭恐
怖的空间呢?
6．为什么宇宙常数有它自身的数值?它是否为零，是否真正恒定?
直到最近，宇宙学家仍然认为宇宙是以一个稳定的速度在膨胀。但最近的观察发现，
宇宙可能膨胀得越来越快。人们用一个叫宇宙常数的数字来描述这种轻微的加速。这个常
数是否如人们早期所认为的是零，或者是一个非常小的数值，物理学家现在还无法做出解
释。
根据一些基本计算，这个常数 应该很大——是我们观测结果的大约10到122倍。换句
话说，宇宙应该以跳跃般的速度在膨胀。而实际情况并非如此，肯定有什么机制在压制这
种作用。如果宇宙真是超对称性的，那宇宙常数就该被完全抵消掉。但这种对称性——如
果确实存在的话——看来已经破灭。如果这个常数随时间的变化而变化的话，那情况就更
加复杂了。
7．M理论的基本自由度( M理论的低能极限是 ll维的超引力，它包含5种相容的超弦理论
)是多少?这一理论是否真实地描述了自然?
多年来，超弦理论最大的弱点是它有5个不同的版本。到底哪一个——如果有的话—
—描述了宇宙?反对这一理论的人最近已经接受了被称为 M理论的最主要的 l l维理论框
架。但情况却因此变得更加复杂。
在 M里论前，所有的亚原子粒子都被说成是由微小的超弦组成的。M理论给组成亚原
子的物质增加了一种叫做“膜”(brane)的更为神秘的物质，它就像生理学上的膜一样，
但最多有9个维数度。现在的问题是，什么是更基本的物质组成单位，是膜组成了弦还是
刚好相反?或者另外存在着一些更基本的物质单位，只是人们没有想到罢了?最后，这两种
东西中是否有一种确实存在，或者 M理论仅仅是一种迷人的大脑游戏?
8，黑洞信息悖论的解决方法是什么?
根据量子理论，信息——无沦它描述的是粒子运动的速度还是油墨颗粒组成文件的确
切方式——是不会从宇宙中消失的。但物理学家基普·索恩、约翰·普雷希尔和斯蒂芬·
霍金却提出了一个固定的假设：如果你把一本大不列颠百科全书扔进黑洞中去，将会发生
什么事?宇宙中是否有其他同样的百科全书是无关紧要的。正如物理学中所定义的，信息
并不等同于含义，信息仅指二进制的数字，或是一些其他的代码，它被用来精确地描述一
个物体或一种方式。所以看起来那些特定的书本里的信息将被吞没，并永远地消失。但人
们觉得这是不可能的。
霍金博士和索恩博士相信那些信息确实消失了，而量子力学必须对此作出解释。普雷
希尔博士推测信息其实并没有 消失；它也许以某种形式显示于黑洞的表面，如同在一个
宇宙中的银幕上。
9．何种物理学能够解释基本粒子的重力与其典型质量之间的巨大差距?
换言之，为什么重力比其他的作用力(如电磁力)要弱得多?一块磁铁能够吸起一个回
形针，即使整个地球的引力在把它往下拉。
根据最近的一种说法，重力实际上要大得多。它仅仅是看上去比较弱而已，因为大部
分重力陷入了某一个额外的维数度之中。如果我们可以用高能粒子加速器俘获全部的重力
，也许就有可能制造出微型黑洞。虽然这看上去会引起固体垃圾处理业的兴趣，但这些黑
洞很可能刚一形成就消失了。
10.我们能否定量地理解量子色动力学中的夸克和胶子约束以及质量差距的存在?
量子色动力学( QCD)是描述强核子力的理论。这种力由胶子携带，它把夸克结合成质
子和中子这样的粒子。根据量子色动力学理论，这些微小的亚粒子永远受到约束。你无法
把一个夸克或脑子从质子中分离出来，因为距离越远，这种强作用力就越大，从而迅速地
把它们拉回原位。
但物理学家还没有最终证明夸克和胶子永远 不能逃脱约束。他们也不能解释为什么
所有能感受强作用力的粒子必须至少有一丁点儿的质量，为什么它们的质量不能为零。一
些人希望 M理论能提供答案，这一理论也许还能进一步阐明重力的本质。
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物理学未解之谜（一）

时间为什么是有箭头的？

时间总是向前发展，是因为宇宙中有个特性叫做“熵”。它定义了一个无序的状态，自发的状态下，熵只会增加。因此一旦熵增已经发生，事情就不能可逆了。宇宙中，粒子的存在也是无序多于有序，事物一旦发生变化，就会变得更加无序。困扰科学家的问题便是：“宇宙在最开始，为什么是非常有序的存在？”为什么如此巨大的能量会被塞到一个小的空间中呢？

平行宇宙是否存在？

天文物理数据表明，空间-时间可能是类似于平面，而不是曲面，这样空间-时间可能会无穷大。因为我们可见的，我们称之为宇宙的区域，仅仅是多重宇宙的一片而已。而每一片宇宙中，根据量子力学，它是由有限的粒子建构的。在无限的宇宙中，有限的粒子进行着多种排序，但难免会重复。这就引出了平行宇宙的概念，即与我们生活的宇宙完全一样的宇宙存在着，在那个宇宙中，也有一个同样的你。当然也存在有些宇宙，个别粒子的排列与我们现有宇宙不同，所以导致那个宇宙跟我们现有的宇宙完全不同。

上面的逻辑说得通吗？如果它是真实存在的，我们又如何才能发现它们呢？

黑洞里面在发生着什么？

如果一个物体被吸入了黑洞，那会发生什么？根据现有理论，如果你扔一块铁到黑洞，你将不能获得后续发生的任何信息。这是因为黑洞的引力太强了，即使是光线也不能逃出黑洞。然而，量子力学的科学家说，量子的信息不能够被毁坏。

量子信息不同于我们存储在电脑中的0和1，或者存储在大脑中的信息。因为量子信息不提供确定的信息。例如，量子信息不会确切地计算棒球在力学中的运行轨道，它只是提供可能的落点。

黑洞在吞噬周边物体时，尽管光也难逃出来，但会有霍金辐射发生。简单来说，就是会有一些粒子在从黑洞的事件视界辐射出来。

对于霍金辐射，全球很多研究机构都在通过大型对撞机，模拟宇宙大爆炸来制造微型黑洞，来从中加以研究。但目前为止，尽管这个理论，学术界普遍认可，但迄今为止，没有观测到霍金辐射。