物理学中18个最大的未解难题-EETOP

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作者：Natalie Wolchover，Jesse Emspak
来自：Live Science 编译：光量子 审校：博科园
1900年英国物理学家开尔文勋爵(Lord Kelvin)曾说：现在物理上没有什么新发现了，廖晓乔剩下的就是越来越精确的测量现代修真录。然而在30年的时间里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更大的潘多拉盒子，甚至更深奥的物理问题，这些是我们对所有最深刻的开放问题的选择。
TOP1、什么是暗能量？

图片：NASA
不管天体物理学家如何处理这些数字，宇宙都是不加增加的。尽管引力在时空内拉向内拉但宇宙的“结构”不断地更快向外扩张新宋风流。为了解释这一点天体物理学家提出了一种隐形的agent，通过将时空分开来抵消引力，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”，空间本身的固有特性，卷发器多少钱它具有“负压力”推动空间的分离。随着空间的膨胀更多的空间被创造出来三三玉茶坊，随之而来的是更多的暗能量。根据观测到的膨胀速度东方玉梅，科学家们知道所有暗能量的总和必须占宇宙总量的70%以上，但是没有人知道如何寻找并证实它。近年来最好的研究人员已经能够在暗能量可能隐藏的地方缩小范围，这是2015年8月发布的一项研究宇宙的能量分布图。
TOP2、什么是暗物质？

图片：ESO/L. Cal?ada
显然宇宙中大约22%的物质不吸收或发射光的被称为“暗物质”，不能直接看到，也还没有被间接的手段探测到。相反暗物质的存在和性质被推断出它对可见物质、辐射和宇宙结构的引力作用。这种神秘的物质被认为遍布于星系的外围，可能是由“弱相互作用的大颗乔木楠粒”组成的。在世界范围内有几个探测器在寻找wimp，但到目前为止还没有发现。最近的一项研究表明黑暗物质可能会在整个宇宙形成长而细粒的溪流，这样的溪流可能像毛发一样从地球上散发出来。
TOP3、为什么有时间的箭头？

图片：Shutterstock
时间向前移动因为宇宙中的一个叫做“熵”的属性，被粗略定义为无序程度，只会增加，因此在它发生后，没有办法逆转熵的上升。事实上熵的增加是一个逻辑问题：粒子的无序排列比有序的排列要多朋薇吧，所以当物体发生变化时，它们往往会陷入混乱。但这里的根本问题是为什么过去的熵如此之低？换句话说为什么宇宙如此有序，当大量的能量被挤在一个小的空间里时?
TOP4、有平行的宇宙吗？

图片：Shutterstock
天体物理数据表明时空可能是“平坦的”而不是弯曲的，因此它将永远持续下去。如果是这样的话，那么我们可以看到的区域(我们认为是“宇宙”)只是一个无限大的“多重宇宙”的一个补丁。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补丁(10 ^ ^ 122不同的可能性)。因此有了无限数量的宇宙版块，它们内部的粒子排列就被迫重复无数次了。这意味着有无穷多的平行宇宙，与我们完全相同的宇宙版块(包含和你完全相同的人)，以及不同于一个粒子位置的斑块，不同于两个粒子位置的版块，以及与我们完全不同的版块。
TOP5、为什么物质比反物质更多？

图片：Shutterstock
为什么会有如此多的物质，而不是它的相反带电和相反的旋转的双胞胎？反物质实际上是一个关于为什么存在的问题。一个假设宇宙会将物质和反物质对称地对待，因此在大爆炸的时刻，应该产生等量的物质和反物质土御门春虎。但如果发生了这种情况，就会完全湮灭，其中：质子会被反质子、反电子(正电子)、中子和反电子的中子所湮灭，从而在无物质的空间里留下一片单调的光子海洋。因为某些原因，有多余的物质没有被消灭，我们在这里对此没有一个公认的解释，到2015年8月宣布的物质与反物质之间的差异，迄今为止最详细的测试证实了它们互为镜像，为理解为什么物质更多的谜团提供了的新路径。
TOP6、宇宙的命运是什么？

图注：
图片：Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported | Bjarmason
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“关闭”就像一个巨大的球体的表面。如果没有暗能量，这样的宇宙最终会停止膨胀，转而开始收缩大清小两口，最终在被称为“大危机”的事件中自行崩溃。如果宇宙是封闭的但有暗能量，那么球形宇宙将永远膨胀。
或者如果Ω小于1那么空间将“开放”的几何表面的马鞍。在这种情况下它的最终命运是“大冰”，接着是“大撕裂”：首先宇宙的向外加速会将星系和恒星分开，使所有的物质都变得寒冷和孤独，接下来加速会变得如此强烈，以至于它将压倒将原子聚集在一起的力的作用，所有的东西都会被扭曲。
如果Ω= 1,宇宙是平坦的，就像一个无限平面在所有的方向。如果没有暗能量，这样一个平面宇宙将永远膨胀，但在不断减速接近静止。如果有暗能量，平坦的宇宙最终会经历失控膨胀导致大撕裂。2015年12月天体物理学家保罗·苏特(Paul Sutter)在论文中详细讨论了这一现象，不管它是如何发挥作用的。
TOP7、如何测量坍塌量子波函数?

图片：John D. Norton
在电子、光子和其他基本粒子的奇异领域中，量子力学是基本定律。粒子不像小球那样运动，而是像在一个大区域传播的波。每一个粒子都被描述为“波函数”或者说是概率分布，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。粒子实际上对所有的属性都有一系列的值，直到你在实验上测量其中的一个，例如它的位置在这一点上，粒子的波函数“崩溃”，它只采用一个位置。
但是为什么测量一个粒子使它的波函数坍缩，产生我们认为存在的具体实相？这个被称为测量问题的问题似乎很深奥，但我们对现实的理解或者它是否存在，取决于答案。
TOP8、弦理论是否正确？

图片：Creative Commons | Lunch
当物理学家假设所有的基本粒子都是一维的循环或者“弦”，每一个都以不同的频率振动，物理学就变得简单多了。弦理论使物理学家能够将量子力学，与支配时空的定律联系起来称为广义相对论，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个或11个维度的宇宙中工作：3个大空间，6个或7个压缩空间，以及一个时间维度。压实的空间维度——以及振动的弦本身无限光环，大约是原子核大小的十亿分之一。没有任何可以想象的方法来检测任何小的东西，所以没有已知的方法来验证或否定弦理论。
TOP9、有混乱的秩序吗？

图片：Shutterstock
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。事实上我们还不知道所谓的纳维-斯托克斯方程的通解是否存在，或者如果有一个解任恒之，它描述的是到处都是液体，还是包含了被称为奇点的固有的不可知点。因此混乱的本质并没有被很好地理解。物理学家和数学家都想知道天气仅仅是难以预测，还是不可预测？湍流是否超越了数学描述，或者当你用正确的数学处理它时，它是否都有意义？
TOP10、宇宙的力量是否能合并成一体？

图片：Lucas Taylor / CMS
宇宙有四种基本自然力：电磁力、强核力、弱相互作用(也称为弱核力)和引力。到目前为止物理学家们知道，如果你把足够的能量转化为足够的能量，例如在粒子加速器中——三种力量“统一”并成为一股力量，物理学家运行粒子加速器统一电磁力和弱相互作用，在更高的能量下，同样的事情应该发生在强大的核力和最终的引力。
但尽管理论认为这种情况应该发生，但自然并不总是满足于此。到目前为止还没有粒子加速器达到足够高的能量来统一强大的电磁和弱相互作用，包括引力，意味着更多的能量。目前还不清楚科学家是否能建立起一个强大的：在日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)可以将粒子以数万亿电子伏特(约14兆电子伏，或TeV)的能量相互撞击。为了达到大的统一能量，粒子至少需要1万亿倍的能量，所以物理学家就只能寻找这种理论的间接证据。
除了能量问题，大统一理论仍然存在一些问题李世汉，因为它们预测到目前为止还没有发现的其他观测结果。有几个GUT称质子在巨大的跨度(10 ^ 36年)的时间应该变成其他粒子。这一点从未被观测到过，所以质子数比任何人想的都要长，或者它们真的永远稳定。另一个对某些类型的GUT的预测是磁单极子的存在——孤立的“北”和“南极”磁极然而而没有人看到其中的一个。可能我们没有足够强大的粒子加速器。或者这些物理学家对宇宙的理解运作方式可能是错误的。
TOP11、黑洞内发生了什么?

图片：ESO/L. Cal?ada
如果一个物体被吸入黑洞会发生什么？根据目前的理论如果你把一个铁方块扔进一个黑洞，就没有办法获取任何信息桃乐丝公牛血。这是因为黑洞的引力如此之大，以至于它的逃逸速度要比光速快，而且光是传递信息最快的。然而一个叫做量子力学的科学分支说量子信息不能被摧毁。芝加哥洛约拉大学(Loyola University Chicago)的物理学副教授罗伯特?麦克尼斯(Robert McNees)说：如果你以某种方式消灭了这些信息，就会出问题。
量子信息与我们在计算机上存储的信息有一点不同，或者是我们大脑中的东西龙套妹。这是因为量子理论没有提供确切的信息，例如一个物体在哪里，就像计算一个棒球在力学中的轨迹。相反这些理论揭示了最有可能的位置，或者是一些行动最有可能的结果。因此所有事件的概率都应该加到1或100%。(例如当你掷一个六面骰子时，一个给定的脸出现的几率是1 / 6，所以所有的脸的概率加起来等于1，你不能超过百分之百确定的事情会发生。)因此量子理论被称为幺正，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。
要描述一个黑洞你需要的是质量，角动量(如果旋转)和电荷。除了一种叫做霍金辐射的缓慢的热辐射外，没有什么东西能从黑洞里出来。据我们所知没有办法通过逆向计算来计算出黑洞到底是怎么吞噬的，信息被摧毁。然而量子理论说，信息不能完全超出范围，这就是“信息悖论”。
麦克尼埃斯说有很多关于这个问题的研究，尤其是斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和斯蒂芬·佩里(Stephen Perry)，他曾在2015年提出而不是被储存在一个黑洞的深沟中，信息仍然在其边界上，被称为“事件视界”(event horizon)。许多人试图解决这个悖论。到目前为止物理学家无法就这一解释达成一致，而且他们可能会在一段时间内达成共识。
TOP12、裸奇点存在吗?

图片：NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet
当“事物”的某些性质是无限的时就会发生奇点，因此我们所知道的物理定律就会分解。在黑洞的中心有一个无限大的点和密度(包含有限的物质)，一个叫做奇异点的点。在数学中奇点一直存在——除以0就是一个实例，而坐标平面上的垂直线上有一个“无限”的斜率。实际上垂直线的斜率是没有定义的。但奇点是什么样的呢？它如何与宇宙的其他部分相互作用/什么东西没有真实的表面而且是无限小的？
“裸”奇点是一个可以与宇宙的其他部分相互作用的奇点。黑洞有视界-球形区域，没有任何东西甚至是光都不能逃脱。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，因为没有什么东西能脱离视界，奇点不会影响到宇宙的其他部分(可以说而裸奇点是一个没有视界的黑洞)。
但是奇点是否能在没有视界的情况下形成仍然是一个悬而未决的问题。如果它们能存在，那么阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论就需要修正，因为当系统太接近奇点时，它就会分解。裸奇点也可能是虫洞，也可能是时间机器——尽管在自然界中没有证据。
TOP13、违反cp对称

图片：agsandrew | Shutterstock
如果你用一个粒子与它的反物质物理定律应该保持不变。例如带正电荷的质子应该和带负电荷的反质子一样，这就是电荷对称的原理。如果你交换左和右，物理定律应该是一样的，这是奇偶对称，这两个称为CP对称。大多数时候这个物理规则并没有被违反。然而某些奇异的粒子破坏了这种对称性。在量子力学中不应该有任何违反CP的行为，我们目前不知道为什么会这样。
TOP14、当声波发出光时

图片：DmitrySteshenko/Shutterstock
虽然粒子物理问题占了许多尚未解决的问题，但一些秘密可以观察到在一个桌上型实验室设置，声致发光就是其中之一，如果你带一些水和声波将形成泡沫。这些气泡是低压区域包围高压，外部压力推动的低压空气和泡沫迅速崩溃。当这些泡沫崩溃时,它们发出的光在闪烁持续10秒。
问题是这一点尚不清楚什么是光的来源。理论从微小的核聚变反应到某种类型的放电，甚至压缩加热的气体在泡沫。物理学家测量高温在这些泡沫成千上万的度变身武娘，并拍了许多照片的光，但是没有好的解释声波如何创建这些灯在一个泡沫。
TOP15、超越标准模型的是什么?

图片：Robert Spriggs | Shutterstock
标准模型是有史以来最成功的物理理论之一。四十年来一直在做实验来测试它，而新的实验表明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围所有物体的粒子的行为，并解释了为什么粒子有质量。事实上在2012年发现希格斯玻色子，一种赋予物质质量的粒子（希格斯场）是一个历史性的里程碑，因为它证实了它存在的长期预测杨宗福。
但标准模型并不能解释一切。标准模型已经做出了许多成功的预测——例如，希格斯玻色子、W和Z玻色子(介导了控制放射性的弱相互作用)以及它们之间的夸克，因此很难发现物理学可能超越它。也就是说大多数物理学家同意标准模型还没有完成。有一些新的更完整的模型的竞争者——弦理论是一个这样的模型，但到目前为止这些都没有被实验证实。
TOP16、基本常数

图片：Andreas Guskos | Shutterstock
无量纲常数是没有单位的数。例如光速是以米每秒(或186,282英里每秒)计量的基本常数车水马龙造句 。与光速不同无量纲常数没有单位，也可以测量，但它们不能从理论推导出来，而像光速这样的常数是可以的。
天文学家马丁·里斯(Martin Rees)专注于他认为物理的基础上的某些“无量纲常数”。事实上，有超过六种标准模型中约有25个。
例如精细结构常数，通常写成alpha决定了磁相互作用的强度。这是约0.007297，使这个数字奇怪的是仙噬，如果它是任何不同的，稳定物质就不存在。另一个原因是许多基本粒子的质量之比,如电子和夸克，普朗克质量。物理学家们想弄清楚为什么这些特定的数字有它们的价值，因为如果它们非常不同，宇宙的物理定律不允许人类在这里。然而仍然没有令人信服的理论解释为什么他们有这些价值观。
TOP17、什么是引力？

图片：koya979 | Shutterstock
引力到底是什么呢？其他的力是由粒子介导的。例如电磁学就是光子的交换。弱核力由W和Z玻色子携带，胶子携带着原子原子核的强核力。其他所有的力都可以被量化，这意味着它们可以被表示为单个粒子，并具有非连续的值。
引力力似乎不是这样的，大多数物理理论认为，它应该被一个叫做引力子的假想无质量粒子携带。问题是目前还没有人发现引力子，也不清楚是否可以建造任何粒子探测器，因为如果重子与物质相互作用，它们会非常非常少地做，很少能在背景噪声中隐形。我们甚至不清楚引力子是无质量的，尽管它们有质量，但它非常非常小——比已知的最轻的粒子中的中微子要小。弦理论认为引力子(和其他粒子)是封闭的能量循环，但到目前为止数学工作并没有产生多大的洞察力。
由于引力子还没有被观测到，引力一直拒绝试图以我们理解其他力量的方式来理解它。一些物理学家特别是Theodor Kaluza和Oskar Klein，认为引力力可以作为一个粒子在三个空间(长度、宽度和高度)之外的额外维度上运行，而我们熟悉的时间(持续的时间)是我们所熟悉的，但这是否真实还不得而知。
TOP18、我们生活在一个虚假的真空中吗？

图片：Shutterstock/Sandy MacKenzie
宇宙似乎相对稳定，毕竟它已经存在了大约138亿年。但如果整件事都是一场大事故呢?一切都始于希格斯粒子和宇宙的真空。或者说真空应该是能量最低的状态王鹤宇，因为它里面什么都没有。与此同时希格斯玻色子——通过所谓的希格斯场赋予了一切质量。加州大学洛杉矶分校(University of California,Los Angeles)的物理学和天文学教授Alexander Kusenko在《物理学》(Physics)杂志上撰文称，真空的能量状态可以从希格斯场的势能和希格斯粒子的质量和顶级夸克(一个基本粒子)计算出来。
到目前为止这些计算似乎表明，宇宙的真空可能不会处于尽可能低的能量状态。这意味着这是一个虚假的真空。如果这是真的，我们的宇宙可能不稳定，因为一个错误的真空可以被一个足够暴力和高能量的事件撞击到一个较低的能量状态。如果这种情况发生将会出现一个叫做气泡形核的现象。一个低能真空的球体将以光速开始生长。没有什么即使是物质本身，也能生存。实际上我们将用另一个取代宇宙，这可能有非常不同的物理定律。
这听起来很可怕，但考虑到宇宙还在这里，显然还没有发生过这样的事件，天文学家已经看到了伽马暴、超新星和类星体，所有这些都是很有能量的。所以我们不需要担心。这就是说真空的假想意味着我们的宇宙可能会以这样的方式存在，当之前的宇宙的假真空被撞到更低的能量状态时，也许我们是粒子加速器事故的结果。
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