物理学18个未解之谜（当代物理界最重要的15个未解之谜）

1900年，著名的英国物理学家凯尔文勋爵、热力学温标（绝对温标）的发明人，被称为热力学之父，宣称：“现在物理学中不会再有任何新的发现。剩下的就是测量越来越精确的问题。” 30年后，量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改变了这一观念。今天，没有物理学家再断言我们对物理的认知已接近完成。相反，每一新的物理发现似乎都在揭示出物理世界中更大，更为深刻的谜团。下面，我们简要介绍当代物理学中最重要的15个未解之谜。

什么是暗能量？

无论天体物理学家如何处理各种天文数字，怎么也推算不出宇宙会膨胀。即使重力在时空上向内拉宇宙，宇宙仍然越来越快地向外扩张。为解释这一点，物理学家提出了一种抵消重力推动时空分开的隐形的东西，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”驱动空间分开。随着空间的扩大，创造出更多的空间，随之而来的是更多的暗能量。根据观察到的扩张速度，科学家们知道所有暗能量的总和，必须占宇宙总质能的近三分之一。但没有人知道如何寻找它。

什么是暗物质？

宇宙中超过80％的物质不吸收或发光，即所谓的“暗物质”，不能直接看到或检测到。暗物质的存在及其性质是从其对可见物质、辐射和宇宙结构的引力效应等推断出来的。这种暗物质被认为遍布星系的外围，占全部宇宙物质总质量的85%，可能由弱相互作用的质量粒子（WIMPs）组成。

目前，全世界有数十个暗物质地下探测实验、暗物质空间探测实验、高能粒子对撞实验等在进行中，试图直接或间接地探索出这种质量粒子。但到目前为止，还没有找到一个。

为什么时间似乎只是向前移动？

时间似乎只是向前移动，与被称为“熵”的宇宙属性相关。熵是一种无序的衡量标准，熵总是增加、不会减少。也就是说，熵不可逆转。这一事实所体现出来的逻辑问题是：粒子的无序排列比有序排列更多，而且会越来越多并陷入混乱。

为此，根本的问题是，为什么熵在过去如此之低？换句话说，为什么宇宙在它的开始就如此有序，当时在一个极小空间里挤满了大量的能量？至今尚未找到满意的答案。

为什么物质比反物质更重要？

反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，同时产生能量。到目前为止，已经发现了300多种基本粒子，这些基本粒子都是正反成对存在的，也就是说，任何粒子都可能存在着反粒子。比如，正电子、负质子是反粒子，它们跟通常所说的电子、质子相比较，电量相等但电性相反。

我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成。因此，这样的物质被称为正物质，或简称物质。从粒子物理的角度讲，正粒子和反粒子的性质几乎完全对称，那么为什么自然界有大量的正物质，而却几乎没有反物质呢？正反物质的不对称疑难，是物理学界所面临的一大挑战。

宇宙的终极命运是什么？

宇宙物理学家认为，宇宙的命运在很大程度上取决于一个未知值因素：Ω，表示在1立方米的空间里只有一个最轻的原子，这样的密度叫临界密度。如果 Ω > 1，则时空将像巨大球体的表面一样“闭合”。如果没有暗能量，宇宙最终会停止膨胀开始收缩，最终会坍塌。如果宇宙是封闭的但存在暗能量，则球形宇宙将永远膨胀。

或者，如果 Ω < 1，那么空间的几何形状将像鞍座的表面一样“打开”。在这种情况下，它的最终命运是“大冻结”，接着是“大撕裂”。首先宇宙向外加速会撕裂星系和恒星，加速度会变得如此强烈，以至于它会压倒将原子固定在一起的力的影响，而将一切扭曲。

如果 Ω = 1，宇宙将是平坦的，在所有方向上像无限平面一样延伸。如果没有暗能量，这样的平面宇宙将永远膨胀，但是会以不断减速的速度接近停滞状态。如果有暗能量，平坦的宇宙最终会经历失控的扩张导致大裂口。

宇宙的终极命运到底是什么？至今没有肯定的答案。

测量如何破坏了量子波函数？

量子力学是经历最严格验证的物理理论之一。至今为止，尚未找到任何能够推翻量子力学的实验数据。大多数物理学者认为，“几乎”在所有情况下，它正确地描写微观粒子能量和物质的物理性质。粒子的行为不像小球，而是像较大范围的波一样。每个粒子都由“波函数”或概率分布描述，“波函数”告诉粒子的位置，速度和其他属性更可能是什么，而不是这些属性是什么。粒子实际上具有所有属性的一系列值，直到通过实验测量它们中的一个，例如它的位置，此时粒子的波函数“塌缩”成只有一个位置。

但是，如何以及为什么测量粒子使其波函数“塌缩”，产生了我们认为存在的具体现实？这个被称为测量问题的问题，至今没有满意的答案。

弦理论是否正确？

弦理论认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”，这样的物理解释变得更容易。它将量子力学与广义相对论协调在一起，并将自然界的四种基本力量统一到一个单一的框架中。

但问题是，弦理论如M理论，只能在具有10或11维的宇宙中工作：3个大空间，6或7个压缩空间，及时间维度。压缩的空间尺寸以及振动弦本身，大约是原子核大小的十亿分之一。没有可能来检测这么小的东西，因此没有任何具体的实验方法来验证。

如何理解混沌现象？

混沌现象是指其行为表现为不确定性、不可重复、不可预测的现象。比如物理学家无法准确地解决与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，不知道用以描述的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程的一般解是否存在，或者，如果有解，是否描述了流体所到之处，或者包含称为奇点的固有不可知点。

混沌现象的性质尚不清楚。物理学家和数学家们想知道，天气是难以准确预测，还是本来就不可准确预测的？混沌现象是否超越了数学描述，或者当用正确的数学方法来解决它时，它是否还都具有意义？

自然界的4种基本力能合并为一体吗？

自然界的4种基本力：引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力，理论上认为应该可以统一在一起。但到目前为止，没有任何粒子加速器能够达到足够高的能量来强化强相互作用力与电磁和弱相互作用力，引力意味着更多的能量。目前的大型强子对撞机能够以数万亿电子伏特（约14 tera-electron伏特或TeV）的能量发射相互撞击粒子。为达到大统一能量，粒子需要至少一万亿倍的能量。

除了能量问题，大统一理论（GUTs）的问题是到目前为止尚未发现到所预测的任何结果。比如质子被预测在很长的时间内应该变成其他粒子。这从未被观察到，质子的持续时间比任何想象的都要长，甚至是永远稳定的。另一预测是磁单极子的存在，即磁铁的孤立的“北极”与“南极”的存在，没有人观察到。

不可能有如此强大的粒子加速器。或者，物理学家对自然界如何运作的研究方法一开始就弄错了。

黑洞内发生了什么？

如果研究对象被吸入黑洞，会发生什么？根据目前的理论，如果将一物体放入黑洞中，就无法找回任何信息。那是因为黑洞的引力非常地强，以至于它的逃逸速度比光还快。

然而，量子力学说量子信息不可能被破坏。所以存在“ 信息悖论” 。量子信息与我们在计算机上存储为1和0的信息或我们脑中的信息不同。这是因为量子理论并没有提供关于物体在何处的确切信息，揭示的是最可能的位置或某种行为的最可能结果。因此，各种事件的所有概率加起来应该为1或100％。

到目前为止，物理学家无法就黑洞内的信息解释达成一致。

存在裸奇点吗？

当事物的某些属性是无限时，就会出现奇点，我们所知道的物理定律就会崩溃。在黑洞的中心位置是一个无限的密集和密集的点，一个称为奇点的点。在数学中，奇点经常出现，如除以零是一个实例。但奇点会是什么样子？它将如何与宇宙的其他部分相互作用？

裸奇点是可以与宇宙其他部分相互作用的奇点。黑洞有球形区域的事件视界，任何东西甚至光线都不能逃脱。乍一看，可能会认为裸体奇点的问题至少部分地解决了黑洞，因为没有任何东西可以从事件视界中消失，奇点不会影响宇宙的其余部分。裸体奇点是一个没有事件视界的黑洞。

但是，没有事件视界是否可以形成奇点仍然是一个悬而未决的问题。如果它们可以存在，那么爱因斯坦的广义相对论将需要修正，因为它在系统太接近奇点时就会崩溃。裸体奇点也可能起到虫洞的作用，它也可能是时间机器，但在实质上没有证据证明这一点。

违反电荷奇偶校验对称性

如果用其反物质偶对交换一粒子，物理定律应该保持不变。如带正电的质子应该看起来与带负电的反质子相同。这是电荷对称原理。如果再次交换，物理定律看起来应该是一样的。这是奇偶校验对称性。这两者一起被称为CP对称或物理学对称。大多数时候，这个物理学对称规则成立。但某些外来粒子违反这种对称性。在量子力学中不应该有任何违反CP的行为，但不知道为什么会这样。

当声波发光时

粒子物理学解决了许多问题，但在台式实验室设置中可以观察到一些谜团。声致发光就是其中之一。如果用一些水用声波击水，会形成气泡。这些气泡是被高压包围的低压区域;，外部压力推入低压空气，气泡迅速坍塌。当这些气泡坍塌时，会发出光，闪烁的光持续万亿分之一秒。物理学家测量了这些气泡内的温度，大约数万华氏度，拍摄了产生光的照片。但是不能很好解释声波如何在气泡中产生这些光。

比标准模型更完整的模型是什么？

标准模型是有史以来最成功的物理理论之一，它经受住了40年的实验测试，新的实验也一直表明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围一切的粒子的行为，并解释为什么。标准模型做出了许多成功的预测，例如希格斯玻色子，W和Z玻色子，及夸克。

但标准模型并没能解释一切，大多数物理学家认为标准模型并不完整，提出了几个新的更完整的模型，弦理论就是其中一个。但是，到目前为止，这些模型都没有通过实验得到最终验证。

引力究竟是什么？

引力是什么 ？其它自然界的3种基本力可以清楚解释，如电磁力是光子的交换。弱相互作用力由W和Z玻色子携带，胶子携带强相互作用力，将原子核固定在一起。

大多数物理学理论认为引力应该由一个几乎无质量的粒子 - 引力子来承载。问题是，没有人发现引力子，并且还不清楚任何可以构建的粒子探测器是否可以看到它们。引力子具有非常非常小的质量，比中微子还小，是已知最轻的粒子之一。

一些物理学家认为引力可能是超出三维空间以及我们所熟悉的时间维度之外的额外维度粒子，但是否是是真的，还是未知数。

许多科学家表示：只要能破解上述任何一个物理学中最重要的未解之谜，那么这将是当之无愧的诺贝尔奖。【免责声明】转载目的在于传递更多信息，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题，请在30日内与本网联系，我们将在第一时间删除内容！

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