现代物理学面对的12个未解难题

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1. 时间和熵的不可逆转性

宇宙最重要的特性之一就是时间的流逝。时间只能“向前”流逝，这个过程是不可逆的。这也就是我们在热力学定律中熟悉的“熵”，熵意味着混乱程度只会随着时间的推移而增加，而且无法逆转。熵增加的事实其实是一个未解决的物理学问题：随着事物的变化，它们往往会变得混乱。比如你打扫房间就是一种 “与熵的斗争”。但这里的主要问题是，为什么过去的熵如此之低？换句话说，在宇宙诞生之初，巨大的能量集中在一个狭小的空间里，那么为什么宇宙会如此地有序？

2. 多元宇宙

天体物理学数据表明，时空可能是 “平坦”的，而不是弯曲的。因此，它可能是无限的。如果是这样的话，那么直径为 930 亿光年的可见宇宙区域只是无限大的多元宇宙中的一个点。与此同时，量子力学定律规定，每个宇宙区域内可能存在的粒子构型数量必须是有限的（10,000,000,000¹²² 种不同的变化）。如果宇宙点的数量是无限的，那么它们内部的粒子排列必须重复无限次，这就意味存在着无限多的平行宇宙：既有与我们完全一样的宇宙区域，也有只有一个粒子位置不同的区域，还有两个粒子位置不同的区域，依此类推，直到连物理定律也可能会不同的最奇特的宇宙。

3. 物质和反物质的不均匀性

与带相反电荷、旋转方向相反的“孪生兄弟”反物质相比，普通物质要多得多。这是为什么呢？这个问题的答案将有助于解释宇宙中为什么会有物质存在。从理论上讲，宇宙大爆炸时应该形成等量的物质和反物质。但如果发生了这种情况，那么这两种物质就会完全湮灭：质子会与反质子、电子与正电子、中子与反中子等相遇。由于某种原因，宇宙中还剩下一些没有湮灭的物质。恒星、星系、行星甚至我们都是由此形成的。这一切是如何发生的，为什么会发生，至今还没有一个公认的解释。

4. 宇宙的命运如何？

宇宙的命运在很大程度上取决于一个未知的因素：Ω，它就对整个宇宙中物质和能量密度的一种量度。如果Ω大于 1，那么时空将是 “封闭的”，就像一个巨大球体的表面。如果没有暗能量，这样的宇宙最终会停止膨胀，转而开始收缩，最终在名为“大合同”的宇宙事件中自行坍缩。也就是说，如果宇宙是封闭的，由于存在暗能量，那么球形宇宙将永远膨胀。

或者，如果Ω小于 1，那么空间的几何形状将是“开放”的。在这种情况下，宇宙的最终命运将是“大冻结”，然后是“大收缩”。首先，宇宙的外部加速度最终会在数万亿年内将星系和恒星撕裂，让所有物质都变得冰冷而孤独。然后，加速度将变得如此强大，以至于压倒了将原子凝聚在一起的力的作用，宇宙的一切都将四分五裂。 

如果Ω等于1，宇宙将是平坦的，像一个无限的平面向各个方向延伸。如果没有暗能量，这样的扁平宇宙将永远膨胀，但速度会不断减慢，接近完全停止。如果存在暗能量，平坦的宇宙最终将经历无限制的膨胀，导致大收缩。Ω的真实值是现代物理学的一个未解之谜。

5. 什么是重力？

万有引力究竟是什么？其他力都是由粒子介导的。例如，电磁力是一种光子交换。弱核力由W和Z玻色子传递，而胶子则传递着将原子核固定在一起的强核力。但引力与它们不同。大多数物理理论认为，引力应该由一种假想的无质量粒子“引力子”来承载。

问题是，假设的引力子至今尚未被探测到。科学家普遍怀疑任何粒子探测器都无法探测到它们。这是因为如果引力子存在，它们很少与物质发生相互作用。引力子是否没有质量甚至还不清楚，不过如果它们有质量的话，那也是非常非常小的——小于中微子，而中微子是宇宙中已知最轻的粒子之一。寻找引力子的工作仍在继续。

6. 暗物质

行星、恒星、星系和我们所看到的一切只占整个宇宙的不到5%。科学家认为，宇宙27%是一种被称为暗物质的物质。这种物质不会与光或可见物质发生相互作用，但会在星系尺度上对其产生引力影响。根据这些间接证据，天文学家认为暗物质是宇宙中最主要的物质类型。但其本质仍不清楚。

7. 暗能量

更神秘的是暗能量。我们已经知道，重子物质和暗物质占据了宇宙物质的32%。那么宇宙中另外的68%又是什么呢？宇宙学家认为这就是暗能量。

如果说暗物质的理论认为它是星系内部物质“粘合”的原因，那么暗能量则相反，它试图将星系相互分离。它的组成和性质也是未知的。“我们之所以知道暗能量的存在和数量，是因为我们看到了它是如何影响宇宙膨胀的。否则，这完全是一个谜”，NASA 的科学家解释道。

8. 量子纠缠

阿尔伯特-爱因斯坦曾把量子纠缠称为“一种令人毛骨悚然的远距离行动”。他真的被这一发现震惊了。由于这种现象，宇宙中完全不同地方的两个粒子可以通过一种无形的力量相互连接在一起，再现它们伙伴的行为。与此同时，它们之间的距离并不起任何作用——相互作用瞬间发生。要想让粒子在如此遥远的距离上相互连接，它们必须发出比光速更快的信号，而根据已知的物理定律，这是不可能的。

 

9. 黑洞里面有什么？

黑洞是空间的一个区域，其中的引力非常大，附近的一切都会被吸进去。科学家预测，银河系中存在着数百万个黑洞，但没有人知道黑洞内部有什么。据推测，在穿过事件视界后，物质会收缩到一个奇点——一个大小为零、密度为无限的区域。了解黑洞内部的情况有助于解释量子引力。

10. 是什么导致了宇宙大爆炸？

宇宙大爆炸是广为接受的宇宙起源理论。从一个几乎无限致密的状态开始，强烈的爆炸引起了膨胀，形成了时间、空间和物质。在几分之一秒的时间里，宇宙从比原子还小的体积膨胀到比星系还大的体积，并继续膨胀和冷却。根据埃德温-哈勃（Edwin Hubble）的研究，这种膨胀仍在继续，甚至还在以惊人的速度加速。那么，是什么导致了宇宙大爆炸呢？可叹，没人知道。

11. 太空咆哮（Space Roar）

2006 年，科学家们开始利用安装在一个巨大气球上的 ARCADE 工具寻找宇宙大爆炸后的遥远残留信号。辐射计探测到了一个神秘的残余射电源，其强度比理论预测的要强大约六倍。这个强大的信号引起了科学家们的极大困惑，他们至今仍不知道它的来源。这种现象被称为 "太空咆哮"，至今仍是天体物理学中的一个未解之谜。

12. 宇宙射线

宇宙射线是以光速从太空落到地球上的高能原子粒子。它们被认为是无害的，因为地球的大气层可以保护我们免受它们的伤害。但是，它们却被指责为卫星甚至地球上设备的电子故障问题的罪魁祸首。科学家们正在努力寻找解决这一问题的办法。宇宙射线于 1912 年被发现，它的起源至今仍是一个谜。