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物理学中18个最大的未解之谜(上篇)

2018.06.09

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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?

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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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