現代物理學的九大終極問題

潘多拉之盒

在1900年，英國物理學家開爾文勳爵得意地聲明道：“在物理上沒什麼沒被發現的重大東西了。剩下的一點未知事物也很容易精確地觀測。”但是在接下來的三十年中，量子力學、愛因斯坦的相對論已經顛覆了這個結論。今天，沒有物理學家敢斷言我們對物理和宇宙的認識“接近完成”。相反，每一個新的發現似乎又打開了又一個“潘多拉之盒”——噴湧出更深更多的物理問題。
這裏有我們挑選出來的著名而開放性的物理未解難題。

九、暗能量是什麼？



無論天體物理學家如何推敲數字，宇宙的的組成模型已經不需要再加上什麼了。但是，雖然重力在時空中向內聚(pulling inward)，宇宙的構造卻不斷向外延伸——越來越快地向外膨脹。為了解釋這一點，天文學家提出了一個看不見的介質通過推開時空來抵消掉重力的影響，這東西就被叫做“暗能量”。在大多廣為接受的暗能量模型中，暗能量是一個”宇宙常數“——一個空間的固有屬性，擁有”負壓力”來把宇宙空間拉開。當空間膨脹時，更多地方被騰出來，然後暗能量隨之而入。基於觀測到的擴展速度，科學家們認為暗能量總和組成了宇宙70%以上的部分。但竟然沒有人知道如何找到它。

八、暗物質是什麼？



顯然，宇宙中84%的物質不吸收也不發射光線。“暗物質”，正如它的名字一樣，無法直接觀測，也沒法間接探測到。暗物質的存在是從可見物質的重力效應、輻射和宇宙結構理論中推導出來的。這個神出鬼沒的物質理論上遍布整個星係，而且應該是弱相互作用的組成部分。世界上已經有幾個尋找WIMP的探測器，不過目前還沒成功嗅探出來。

七、熵是怎麼回事？



時間不斷向前流逝，因為宇宙的熵(即它的混亂度)隻會增加，並且我們沒法扭轉這一增加的過程。“熵總是增加”的這一事實涉及這樣的邏輯：混亂的物質排列總是比有規則的排列普遍，而且當你改變事物時，它往往會陷入混亂無序 (#耳機線)。但這裏的問題是：為什麼過去的熵如此之低？換句話說，為什麼宇宙在最初是有序的——當大量能量被壓擠在狹小的空間中時？

六、平行宇宙存在嗎？



天體物理數據表明時空並非彎曲，而可能是”平“的，因此它會延伸下去。如果是這樣，我們能夠觀測到的地方(即我們認為的”宇宙“)隻是一個無限大的絎縫多元宇宙(quilted multiverse)中的一塊補丁罷了。與此同時，量子力學的法則也推定：每個”宇宙塊“(總共大概有10^22^122個宇宙塊吧)的粒子排列配置擁有可能性上限，所以，相對於無限的“補丁式宇宙”，肯定會有一些微粒排列重複的宇宙——而且有無限個這樣雷同的平行宇宙(裏麵有完全相同的你我)，也會有隻差了一個粒子位置不一樣的宇宙，和差了兩個粒子的宇宙……到完全不同的宇宙。
這個邏輯有破綻嗎？還是說，這種離奇的結論的確無誤？這怎麼可能？假如正確，我們又會如何證實平行宇宙的存在？

五、為什麼物質比反物質多？



為什麼物質，比它的電荷相反、自旋方向也相反的雙胞胎——反物質粒子的總量更多？反物質，根本上是說是”物質為什麼存在“的問題。我們假設，宇宙中的物質和反物質對稱相抵，而且在宇宙大爆炸的那一刻物質和反物質一起被生產出來了。但是如果這樣的話，兩者不會存活到現在：在那時質子和反質子就會互相湮滅，電子和正電子彼此抵消，中子和反中子也這樣，——隻留下一大堆光子。對於這些東西，我們目前還沒法給出一個令人信服的解釋。

四、宇宙命運如何？



宇宙的命運很大程度上取決於未知值的參數：Ω——物質和能量在整個宇宙層麵上的密度的度量。如果Ω大於1，則時空會封閉在一個巨大的球體中。如果沒有暗能量，這樣的宇宙會停止膨脹然後開始收縮，最後在“大緊縮”事件中崩潰。 如果宇宙是封閉的，但暗能量真的存在——那麼球形宇宙會永遠膨脹。
另外，如果Ω小於1，則空間的形狀將類似“開放的”拋物麵。這種情況下，它的最終命運是“大凍結”接著“大撕裂”：首先，宇宙向外加速，撕裂星係和恒星，隻剩下冰冷的殘骸物質。在宇宙加速度過大時，會發生之後的事情：加速度大到原子之間的結合力無法再拘束住自己，所有的物質將會分崩離析四處拋散。
如果Ω=1，宇宙會是平穩的，如同所有方向都無窮延伸的平麵一樣，沒有暗能量的話這種狀態會永遠保持下去，不過會逐漸減速直到停滯。如果暗能量存在並能抵抗擴張的速度，宇宙最終會撕裂自己。
Whatever will be, will be。

三、為什麼無法精確測定微小粒子？



在電子、光子之類基本粒子的奇特世界中，所有定律都遵循量子力學。粒子並不像一個小球一樣，而是“一陣陣地”分布在一個較大區域中。每個粒子由波函數，或者概率分布來描述。波函數描述了它“可能的”位置、速度和其他特性，但就是沒法得出一個確定值。基本粒子具有這個範圍內的屬性。假如你用實驗測定其中一個粒子，你就能得出一個確切位置——因為波函數坍塌的結果。 (嬰兒量子力學講座到此結束)
但是為什麼你測量一個粒子、使得它的波函數塌陷並產生具體值？這個問題被稱為測不準問題，看起來十分深奧。但我們可以這樣理解：粒子的存在取決於觀測的結果。

二、弦理論是正確的嗎？



物理學家假定所有的基本粒子實際上都是一維的循環(loop)，或者說“串”(string)。每一個粒子都在不同的頻率上振動，這樣物理解釋起來就容易多了。弦理論讓物理學家調和了粒子世界的基本法則，並且使用“廣義相對論”這一時空理論，來把自然界的四種基本粒子統一到單一的理論框架中。但問題是，弦理論在11或10維宇宙中才起效，比如：具有三個普通空間、六七個壓縮空間(compacted spatial)以及一個時間維度——就像一根振動的琴弦一樣——組成的世界。這種空間的尺度大概是一個原子核大小的一萬億分之一到十億分之一那樣的數量級，目前根本沒有方法來檢測，所以弦理論的正確性不得而知。

一、混亂中蘊含著有序嗎？



物理學家至今無法精確求解出描述流體行為的方程組——流體包括從水到空氣中的所有液體和氣體。事實上我們不知道所謂Navier-Stokes方程組是否存在一般解。或者說大概有一種理論能夠解釋所有的流體，也可能流體理論本身一定隱含著不可知的“奇點”。結果，對於“混亂”物質的法則，人們仍然所知甚少。物理學家和數學家都想知道天氣本身是“難以預測”，還是“內在的不可預測”？難道說這些東西超越了數學的範疇，或者隻是人們暫時沒有找到合理的數學工具而已？