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物理中的九个潘多拉魔盒

1900年,英国物理学家开尔文勋爵曾经断言:“物理学中已经没有什么可发现的了。剩下的工作只是不断地提高精确度。”但是三十年后,量子力学和爱因斯坦的相对论使这个领域发生了革命性的变化。今天,没有物理学家敢宣称我们对宇宙已经全然了解。恰恰相反,每一次新发现,都会打开一个更大、隐藏着更深层疑问的潘多拉魔盒。


暗能量

不管天体物理学家怎么计算,都无法拼凑出一个完整的宇宙。即便引力在时空体中不断地把宇宙向回拉,宇宙的结构仍然在越来越快地向外扩展。为了解决这个问题,天体物理学家设想存在一种看不见的反引力载体,是它在不断地把时空推向解体。他们把这种东西叫“暗能量”。在一种人们普遍接受的暗能量模型中,暗能量是一种“宇宙常量”:一种空间本身固有的特点,能够产生一种“负压”,使空间不断地扩大。随着空间的不断扩张,会有更多的空间产生出来,因而空间固有的暗能量也会越来越多。基于对宇宙膨胀速度的观测,科学家已经知道,所有暗能量加起来,占到了宇宙总量的70%以上。然而无人知晓该如何寻找暗能量。


暗物质

很明显,宇宙物质总量的84%既不吸收光,也不发光。“暗物质”,正如其名,无法被直接看到,也从未被间接检测到。我们只是从它施加在可见物质、辐射和宇宙结构上的引力效应,来推断暗物质的存在和特点。据信这种虚无缥缈的物质散布在星系外围,它们可能是由“弱相互作用重粒子(WIMP)”构成的。人们在全球各地设置了多个传感器,来寻找这种粒子,但是到目前为止,一个也没发现。


时间之箭

时间之所以会向前推进,是因为宇宙的一种属性——“熵”,大致可以理解为无序的程度——只会增加,因此无法在事件发生之后使熵反转。熵的增加是一个逻辑问题:无序排列的粒子比有序排列的粒子要多,因此随着事件发生变化,它们会趋向于走向无序。但是这背后的问题是,为什么过去的熵如此之低?换句话说,为什么一个在小空间内塞满了大能量的婴儿宇宙会那么有序?


平行宇宙

天体物理学数据显示,时空可能是“平坦”的,而不是弯曲的,因此它可能是永恒的。如果是这样的话,那么我们所能看到的这片区域(我们把它当作“宇宙”)只不过是一个无限大的“多元宇宙”中的一小块。与此同时,量子力学定律又表明,每一小块宇宙(可能存在着10^10^122个)中,粒子排列的可能性是有限的。因此,由于存在着无限多这样的小块宇宙,粒子排列的方式在无限多次后,是会重复的。也就是说存在着无限多个平行宇宙:有与我们完全相同的(存在着和你完全相同的一个人),有与我们只在一个粒子的位置上有差异的,也有与我们在两个粒子的位置上有差异的,如此一直延续,直至一个与我们完全不同的宇宙。

这个逻辑是不是有错?如此古怪结果会不会是真的?如果没错,那我们又该如何对平行宇宙的存在加以检验?

物质和反物质

物质为什么会比带相反电荷、自转方向相反的同胞——反物质多?这实际上也是在问世间的一切为何会存在。一种假设认为,宇宙对物质和反物质是一视同仁的,如果是这样的话,那么在宇宙大爆炸时,会产生相同数量的物质和反物质。但是如果那样的话,所有的一切都会彻底湮灭:质子会和反质子湮灭,电子会和反电子(正电子)湮灭,中子会和反中子湮灭,等等,剩下的只会是一片没有物质的光子之海。但是事实上物质要多出一点,没有完全湮灭,因此才有了我们。为什么会如此?人们仍然百思不得其解。


宇宙的命运

宇宙的命运非常依赖于一个值——Ω,宇宙物质和能量的密度。假如Ω大于1,那么时空就像一个巨大的球体表面那样,是“封闭”的。如果没有暗能量,那么这样的宇宙最终会停止膨胀,并开始收缩,最后在所谓的“大挤压”事件中结束。如果宇宙是封闭的,但是又存在暗能量,那么这个球形宇宙会永远膨胀下去。

如果Ω小于1,那么空间的几何学特征就会像马鞍那样,是“开放”的。如果是这样,那宇宙会首先发生“大冻结”,然后发生“大撕裂”:宇宙的加速膨张首先会使所有星系和恒星解体,使一切将陷于寒冷和孤寂之中;然后还会进一步发展,连原子也无法再继续结合在一起,一切都将分崩离析。

如果Ω等于1,宇宙就将会是平坦的,它在各个方向上都会是无限平整的。如果没有暗能量,这样平整的宇宙将会以持续下降的速率膨胀,直到最后达到平衡。如果存在暗能量,那么这个平坦的宇宙最终也会经历失控的膨胀,导致“大撕裂”。

还是顺其自然吧。


波函数的塌缩

支配电子、光子和其它基本粒子奇特领域的是量子力学法则。粒子和小球不同,更像一种在大范围内存在的波。每个粒子分布的可能性,都可以用“波函数”来描述。我们由此获知的,是它的位置、速度和其它特点的可能性,而非确切数值。粒子实际上是所有特点的一组数值,直到你通过实验测量这组数值中的一个——比如位置——当你测量的那一刻,粒子的波函数就“坍缩”了,此时它的位置将是唯一的。

为什么对粒子的测量会导致它的波函数发生坍缩,并由此产生我们可以理解的现实?这个问题,被称为量子测量问题,看起来可能非常难懂,但是我们对现实的理解,或者说要探究现实究竟是否存在,都有赖于这个问题的答案。

弦理论

当物理学家把所有基本粒子描述为一维的弧圈,也就是以不同的频律颤动的“弦”时,物理学变得简单了。弦理论允许物理学家把统辖粒子的量子力学与统辖时空的广义相对论进行调和,并把自然界的四种基本作用力统一在一个框架内。但是问题在于,要让弦理论行得通,宇宙就必须存在10至11个维度:三个大的维度,六至七个被压缩的维度,再加上一个时间维度。被压缩的维度,和颤动的弦本身,都存在于比原子核还小十亿万亿倍的尺度上。我们无法对如此小的尺度加以检验,因此,弦理论既无法通过实验被证明,也无法通过实验被证伪。


浑沌中的秩序

物理学家无法明确地用一组方程对流体行为进行描述,无论是水、空气,或其它液体和气体。实际上,连这方面的通用解决方案,也就是所谓的纳维-斯托克斯方程是否存在也是不清楚的,即便有这样的方案,也不知道它是否能够对所有的流体进行描述,不知道那里是否存在着永远也无法获知的“奇点”。因此,我们仍然未能对大自然的混沌状态有很好地了解。物理学家和数学家仍然在彷徨,天气仅仅是难以预测,还是其本身就无法预测?是湍流超越了数学的描述能力,还是我们没有找到正确的方法?

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