现代物理学的九大终极问题

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潘多拉之盒

在1900年，英国物理学家开尔文勋爵得意地声明道：“在物理上没什么没被发现的重大东西了。剩下的一点未知事物也很容易精确地观测。”但是在接下来的三十年中，量子力学、爱因斯坦的相对论已经颠覆了这个结论。今天，没有物理学家敢断言我们对物理和宇宙的认识“接近完成”。相反，每一个新的发现似乎又打开了又一个“潘多拉之盒”——喷涌出更深更多的物理问题。

这里有我们挑选出来的著名而开放性的物理未解难题。

九、暗能量是什么？
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无论天体物理学家如何推敲数字，宇宙的的组成模型已经不需要再加上什么了。但是，虽然重力在时空中向内聚(pulling inward)，宇宙的构造却不断向外延伸——越来越快地向外膨胀。为了解释这一点，天文学家提出了一个看不见的介质通过推开时空来抵消掉重力的影响，这东西就被叫做“暗能量”。在大多广为接受的暗能量模型中，暗能量是一个”宇宙常数“——一个空间的固有属性，拥有”负压力”来把宇宙空间拉开。当空间膨胀时，更多地方被腾出来，然后暗能量随之而入。基于观测到的扩展速度，科学家们认为暗能量总和组成了宇宙70%以上的部分。但竟然没有人知道如何找到它。

八、暗物质是什么？
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显然，宇宙中84%的物质不吸收也不发射光线。“暗物质”，正如它的名字一样，无法直接观测，也没法间接探测到。暗物质的存在是从可见物质的重力效应、辐射和宇宙结构理论中推导出来的。这个神出鬼没的物质理论上遍布整个星系，而且应该是弱相互作用的组成部分。世界上已经有几个寻找WIMP的探测器，不过目前还没成功嗅探出来。

七、熵是怎么回事？
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时间不断向前流逝，因为宇宙的熵(即它的混乱度)只会增加，并且我们没法扭转这一增加的过程。“熵总是增加”的这一事实涉及这样的逻辑：混乱的物质排列总是比有规则的排列普遍，而且当你改变事物时，它往往会陷入混乱无序 (#耳机线)。但这里的问题是：为什么过去的熵如此之低？换句话说，为什么宇宙在最初是有序的——当大量能量被压挤在狭小的空间中时？

六、平行宇宙存在吗？
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天体物理数据表明时空并非弯曲，而可能是”平“的，因此它会延伸下去。如果是这样，我们能够观测到的地方(即我们认为的”宇宙“)只是一个无限大的绗缝多元宇宙(quilted multiverse)中的一块补丁罢了。与此同时，量子力学的法则也推定：每个”宇宙块“(总共大概有10^22^122个宇宙块吧)的粒子排列配置拥有可能性上限，所以，相对于无限的“补丁式宇宙”，肯定会有一些微粒排列重复的宇宙——而且有无限个这样雷同的平行宇宙(里面有完全相同的你我)，也会有只差了一个粒子位置不一样的宇宙，和差了两个粒子的宇宙……到完全不同的宇宙。
这个逻辑有破绽吗？还是说，这种离奇的结论的确无误？这怎么可能？假如正确，我们又会如何证实平行宇宙的存在？

五、为什么物质比反物质多？
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为什么物质，比它的电荷相反、自旋方向也相反的双胞胎——反物质粒子的总量更多？反物质，根本上是说是”物质为什么存在“的问题。我们假设，宇宙中的物质和反物质对称相抵，而且在宇宙大爆炸的那一刻物质和反物质一起被生产出来了。但是如果这样的话，两者不会存活到现在：在那时质子和反质子就会互相湮灭，电子和正电子彼此抵消，中子和反中子也这样，——只留下一大堆光子。对于这些东西，我们目前还没法给出一个令人信服的解释。

四、宇宙命运如何？
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宇宙的命运很大程度上取决于未知值的参数：Ω——物质和能量在整个宇宙层面上的密度的度量。如果Ω大于1，则时空会封闭在一个巨大的球体中。如果没有暗能量，这样的宇宙会停止膨胀然后开始收缩，最后在“大紧缩”事件中崩溃。 如果宇宙是封闭的，但暗能量真的存在——那么球形宇宙会永远膨胀。

另外，如果Ω小于1，则空间的形状将类似“开放的”抛物面。这种情况下，它的最终命运是“大冻结”接着“大撕裂”：首先，宇宙向外加速，撕裂星系和恒星，只剩下冰冷的残骸物质。在宇宙加速度过大时，会发生之后的事情：加速度大到原子之间的结合力无法再拘束住自己，所有的物质将会分崩离析四处抛散。

如果Ω=1，宇宙会是平稳的，如同所有方向都无穷延伸的平面一样，没有暗能量的话这种状态会永远保持下去，不过会逐渐减速直到停滞。如果暗能量存在并能抵抗扩张的速度，宇宙最终会撕裂自己。

Whatever will be, will be。

三、为什么无法精确测定微小粒子？
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在电子、光子之类基本粒子的奇特世界中，所有定律都遵循量子力学。粒子并不像一个小球一样，而是“一阵阵地”分布在一个较大区域中。每个粒子由波函数，或者概率分布来描述。波函数描述了它“可能的”位置、速度和其他特性，但就是没法得出一个确定值。基本粒子具有这个范围内的属性。假如你用实验测定其中一个粒子，你就能得出一个确切位置——因为波函数坍塌的结果。 (婴儿量子力学讲座到此结束)

但是为什么你测量一个粒子、使得它的波函数塌陷并产生具体值？这个问题被称为测不准问题，看起来十分深奥。但我们可以这样理解：粒子的存在取决于观测的结果。

二、弦理论是正确的吗？
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物理学家假定所有的基本粒子实际上都是一维的循环(loop)，或者说“串”(string)。每一个粒子都在不同的频率上振动，这样物理解释起来就容易多了。弦理论让物理学家调和了粒子世界的基本法则，并且使用“广义相对论”这一时空理论，来把自然界的四种基本粒子统一到单一的理论框架中。但问题是，弦理论在11或10维宇宙中才起效，比如：具有三个普通空间、六七个压缩空间(compacted spatial)以及一个时间维度——就像一根振动的琴弦一样——组成的世界。这种空间的尺度大概是一个原子核大小的一万亿分之一到十亿分之一那样的数量级，目前根本没有方法来检测，所以弦理论的正确性不得而知。

一、混乱中蕴含着有序吗？
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物理学家至今无法精确求解出描述流体行为的方程组——流体包括从水到空气中的所有液体和气体。事实上我们不知道所谓Navier-Stokes方程组是否存在一般解。或者说大概有一种理论能够解释所有的流体，也可能流体理论本身一定隐含着不可知的“奇点”。结果，对于“混乱”物质的法则，人们仍然所知甚少。物理学家和数学家都想知道天气本身是“难以预测”，还是“内在的不可预测”？难道说这些东西超越了数学的范畴，或者只是人们暂时没有找到合理的数学工具而已？

本文译自 Livescience，由 何鸣时 编辑发布。