1900年，据说英国物理学家凯尔文勋爵（Lord Kelvin）曾宣称：“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。”三十年来，量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改变了这个领域。今天，没有物理学家敢断言我们对宇宙的物理知识即将完成。相反，每一个新的发现似乎都打开了潘多拉的盒子，里面装着更大、更深入的物理问题。这些是我们挑选的最深刻的开放性问题。
在里面你会学到平行宇宙，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。
为何时间在不停流逝？
时间之所以向前移动，是因为宇宙中一种叫做“熵”的性质，大体上被定义为无序的程度，只会增加，所以在它发生之后，没有办法逆转熵的增加。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多，因此随着事物的变化，它们往往会陷入混乱。但最根本的问题是，为什么过去熵这么低？换言之，为什么宇宙一开始就如此有序，是谁把大量的能量排列在在一个很小的空间里？
是否存在平行宇宙？
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，那么我们可以看到的区域（我们认为是“宇宙”）只是无限大的“多元宇宙”中的一个补丁。同时，量子力学定律规定，每个宇宙补丁中只有有限数量的可能粒子配置（10^10^122个不同的可能性）。因此，有了无限多个宇宙斑块，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：与我们完全相同的宇宙斑块（包含与你完全相同的人），以及仅因一个粒子位置不同的斑块，因两个粒子位置不同的斑块，等等，直至完全不同于我们的斑块。虽然现在仍然无法证实这是真实存在的。
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：Ω，一个测量整个宇宙物质和能量密度的指标。如果Ω大于1，时空就会像一个巨大球体的表面一样“闭合”。如果没有暗能量，这样的宇宙将最终停止膨胀，而开始收缩，最终在一个被称为“大危机”的事件中自我坍塌。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，那么空间的几何结构将像鞍的表面一样“开放”。在这种情况下，它的最终命运是“大冰块”，接着是“大裂谷”：首先，宇宙的向外加速会撕裂星系和恒星，留下所有物质的寒冷和孤独。下一步，加速度将变得如此强大，以至于它将压倒把原子绑在一起的力的影响，所有的东西都将被扭开。
如果Ω=1，宇宙将是平的，像一个无限大的平面向四面八方延伸。如果没有暗能量，这样的平面宇宙将永远膨胀，但速度会不断减速，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·萨特在2015年12月的文章中详细讨论了这一事实。
观察是如何使量子波函数崩溃的？
在电子、光子和其他基本粒子的奇异领域，量子力学就是定律。粒子的行为不像小球，而是像散布在大面积上的波。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，而不是那些属性是什么。粒子实际上具有所有属性的一系列值，直到您通过实验测量其中一个属性（例如，它的位置）时，粒子的波函数在该点“塌陷”，并且它仅采用一个位置。（著名的双缝干涉实验）
但是，如何测量粒子的波函数如何以及为什么使其坍塌，产生了我们认为存在的具体现实呢？这个问题，被称为测量问题，似乎是深奥的，但是我们对现实的理解，或者它是否存在，取决于答案。
弦论究竟正确吗？
当物理学家假设所有的基本粒子实际上都是一维环或“弦”，每一个都以不同的频率振动时，物理学就容易多了。弦论使物理学家能够调和控制粒子的定律，称为量子力学，与控制时空的定律，称为广义相对论，并将自然界的四种基本力量统一为一个框架。但问题是，弦论只能在10或11维的宇宙中工作：3个大的空间维度，6或7个压缩的空间维度，和一个时间维度。压缩的空间维度，以及振动弦本身，大约是原子核万亿分之一大小的十亿分之一。没有任何可以想象的方法来检测这么小的东西，所以也没有已知的方法来实验验证或使弦论失效。
混乱中有秩序吗？
物理学家不能精确地解出描述流体行为的方程组，从水到空气到所有其他液体和气体。事实上，还不知道所谓的Navier-Valman方程的一般解是否存在，或者，如果存在一个解决方案，它是否到处描述流体，或者包含固有的不可知点，称为奇点。因此，人们对混乱的本质并没有很好的理解。物理学家和数学家想知道，天气是仅仅难以预测，还是天生不可预测？湍流是否超越了数学描述，或者当你用正确的数学来处理它时，一切都有意义？
黑洞内部究竟会发生什么？
如果一个物体被吸进黑洞，它的信息会发生什么变化？根据目前的理论，如果你把一个立方体的铁扔进黑洞，就没有办法获取任何信息。这是因为黑洞的引力很强，它的逃逸速度比光速还快，而光是其中最快的东西。然而，一个叫做量子力学的科学分支说，量子信息是不会被破坏的。”芝加哥洛约拉大学物理学副教授罗伯特·麦克尼斯说：“如果你以某种方式抹杀了这些信息，就会出问题。”
量子信息有点不同于我们在计算机上存储为1和0的信息，或者我们大脑中的东西。这是因为量子理论并没有提供精确的信息，例如，一个物体将在哪里，比如在力学中计算棒球的轨迹。相反，这样的理论揭示了最有可能发生的地点或某个行动最有可能的结果。因此，各种事件的所有概率加起来应该是1，或100%。（例如，当你卷起一个六面骰子时，一个给定面的出现几率是六分之一，所以所有面的概率加起来是1，你不能超过100%确定会发生什么事情。）因此，如果你知道一个系统是如何结束的，你可以计算它是如何开始的。
要描述黑洞，你只需要质量，角动量（如果它在旋转）和电荷。黑洞里除了一种叫做霍金辐射的缓慢的热辐射流外，什么都没有出来。据任何人所知，没有办法做反向计算来找出黑洞到底吞噬了什么。信息被销毁了。然而，量子理论认为信息不可能完全不可及。这就是“信息悖论”
麦克尼斯说，在这个问题上已经有很多工作，特别是斯蒂芬·霍金和斯蒂芬·佩里在2015年提出，这些信息并没有被储存在黑洞的深渊中，而是保留在它的边界上，称为事件视界。还有许多人试图解决这个矛盾。到目前为止，物理学家们还不能就这个解释达成一致，而且他们可能会在一段时间内持不同意见。
裸奇点是否存在？
当一个“事物”的某些性质是无限的时，就会出现奇点，因此我们所知道的物理定律就会崩溃。在黑洞的中心有一个无限多密度的点（充满了有限数量的物质）一个称为奇点的点。在数学中，奇点总是会出现——除以零是一个例子，坐标平面上的垂直线有一个“无限”的斜率。实际上，垂直线的斜率是未定义的。但是奇点是什么样子的呢？它将如何与宇宙其他部分相互作用？什么意思说某物没有真实的表面并且是无限小的？
“裸”奇点是一个可以与宇宙其他部分相互作用的奇点。黑洞有事件视界——球形区域，任何东西，甚至光，都无法从中逃逸。乍一看，你可能认为裸奇点的问题至少在一定程度上解决了黑洞的问题，因为没有任何东西可以脱离事件视界，奇点也不会影响宇宙的其他部分。（可以说，它是“穿上衣服的”，而裸奇点是一个没有视界的黑洞。）
但奇点是否能在没有视界的情况下形成仍是一个悬而未决的问题。如果它们能够存在，那么阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论需要修正，因为当系统过于接近奇点时，它就会崩溃。赤裸裸的奇点也可能起到虫洞的作用，这也可能是时间机器——尽管自然界没有证据证明这一点。
会发光的声波?
虽然粒子物理问题是许多尚未解决的问题的原因，但一些谜团可以在实验室的实验台上观察到。声致发光就是其中之一。如果你拿些水，用声波打击它，就会形成气泡。这些气泡是被高压包围的低压区；外部压力推动低压空气，气泡迅速崩塌。当这些气泡崩溃时，它们会发出光，以最后万亿分之一秒的速度闪烁。
问题是，还远不清楚光源是什么。理论的范围从微小的核聚变反应到某种放电，甚至是气泡内气体的压缩加热。物理学家们测量了这些气泡内部的高温，温度约为几万华氏度，并拍摄了大量它们产生的光的照片。但对于声波如何在气泡中产生这些光，还没有很好的解释。
万有引力到底是什么？
重力到底是什么？其他的力是由粒子介导的。例如，电磁就是光子的交换。弱核力由W玻色子和Z玻色子携带，胶子携带将原子核结合在一起的强大核力。麦克尼斯说，所有其他的力都可以量化，这意味着它们可以表示为单个粒子，并且具有不连续的值。
地心引力看起来不像那样。大多数物理理论认为它应该由一个假设的称为引力子的无质量粒子携带。问题是，目前还没有人发现引力子，也不清楚任何可以建造的粒子探测器是否能看到它们，因为如果引力子与物质相互作用，它们会非常、非常罕见地做到这一点，以至于它们在背景噪声下是看不见的。现在还不清楚引力子是无质量的，尽管如果它们有质量的话，它是非常非常小的，比中微子要小，中微子是已知最轻的粒子之一。弦理论认为，引力子（和其他粒子）是能量的闭合环，但迄今为止，数学工作还没有产生太多的见解。
因为引力子还没有被观测到，引力已经抵制了试图用我们理解其他力的方式来理解它的尝试——作为粒子的交换。一些物理学家，特别是特奥多尔·卡鲁扎和奥斯卡·克莱因，认为重力可能是作为一个超空间（长度、宽度和高度）和我们熟悉的时间（持续时间）中的一个（长度、宽度和高度）的粒子而运行的，但这是否是真的还不得而知。
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