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物理學的18個未解難題

物理學的18個未解難題。

1、暗物質和暗能量是什麼?

我們所了解的普通物質只佔宇宙總物質的5%。其餘95%要麼是暗物質,要麼是暗能量。暗物質似乎只通過引力相互作用,其特性目前還未知。暗能量讓宇宙加速膨脹,其特性也未知。解開這兩個未知之謎對理解宇宙至關重要。

2、是否存在相互作用的平行宇宙?

假設宇宙是無限大的,那麼在足夠大的尺度上,必定會重複出現完全相同的大量宇宙區域。這意味着存在無數平行宇宙:某區域內的粒子排列方式與我們的宇宙完全相同,以及相差一個粒子位置的宇宙、相差兩個粒子位置的宇宙,如此類推至與我們的宇宙完全不同的宇宙。

這個邏輯正確嗎?如果正確,我們如何探測平行宇宙的存在?這個難題探討了「無限宇宙」會意味着什麼。

3、為何物質遠超反物質?

為什麼宇宙中物質明顯多於電荷和自旋方向相反的反物質?這個問題實際上是詢問為何宇宙中存在任何物質。人們認為宇宙應該對物質和反物質具有對稱性,所以宇宙大爆炸時應產生同量的物質和反物質。但如果真是如此,兩者應徹底相互湮滅:質子與反質子相抵消,電子與正電子(正子)相抵消,中子與反中子相抵消,如此等等,僅留下一片充滿光子的無物質空間。由於某種原因,多出的某種物質沒有被湮滅,於是我們便存在於此。這個原因至今未知。

2015年8月公佈的物質與反物質差異的最精確測量結果確認兩者是完全鏡像,卻無法幫助理解物質為何遠比反物質普遍這一之謎。

4、宇宙的命運是什麼?

宇宙的命運在很大程度上取決於一個未知的因子:Ω,它是整個宇宙中物質和能量密度的度量。如果Ω大於1,則空間會「封閉」成巨大的球面。如果沒有暗能量,這樣的宇宙最終會停止膨脹並開始收縮,最終在所謂的「大崩潰」中坍縮。如果宇宙封閉但存在暗能量,球狀宇宙會永遠膨脹。

或者,如果Ω小於1,則空間幾何形狀開放如馬鞍面。在這種情況下,其最終命運是「大凍結」後「大撕裂」:首先,宇宙的加速膨脹會撕裂星系和恆星,使一切物質離析;然後,宇宙持續冷卻至絕對零度。如果Ω恰等於1,宇宙的空間幾何將是平坦的,並將在極遠未來達至熱寂。宇宙的最終命運取決於Ω的值,而Ω的值目前尚不清楚。更精確地測量宇宙中物質和能量的總量將有助於弄清楚這個未知數值。理解宇宙的命運對理解現實或現實是否存在至關重要。

5、弦理論是否正確?

當物理學家假設所有基本粒子實際上都是一維環,或「弦」,每個弦振動頻率不同時,物理學變得更簡單。弦理論允許物理學家協調粒子遵循的定律(稱量子力學)與空時遵循的定律(廣義相對論),並將四種基本力量統一在一個框架下。

問題在於,弦理論只在擁有10或11維的宇宙中有效:三個大的空間維度,六或七個緊緻的空間維度和一個時間維度。緊緻的空間維度以及振動的弦本身約為原子核大小的十萬億分之一。目前沒有任何方法可以探測如此小的東西,因此目前沒有已知方法可以實驗驗證或否定弦理論。

最後,我們結束在混沌……

6、混沌中有秩序嗎?

物理學家無法精確解決描述液體行為的方程組,從水到空氣再到所有其他液體和氣體。事實上,尚不清楚所謂的Navier-Stokes方程組是否存在通解,或者,如果存在解,它是否在所有地方描述液體,或是否包含必然未知的點,稱為奇點。因此,混沌性質目前還不太理解。物理學家和數學家想知道,天氣僅僅難以預測,還是本質上不可預測?湍流是否超出數學描述,或者當用適當的方法處理時是否全部都講得通?恭喜你完成這份重要話題清單。

7、宇宙的各種力量是否合而為一?

宇宙經歷四種基本力量:電磁力、強核力、弱相互作用(也稱為弱核力)和引力。迄今為止,物理學家知道,如果增加足夠的能量,例如在粒子加速器內這三種力量會「統一」成為一種單一的力量。物理學家已經運行粒子加速器,統一了電磁力和弱相互作用,在更高的能量下,強核力和最終的引力也應如此。

但是,儘管理論說應該這樣,但自然並不總是如人們所願。到目前為止,沒有粒子加速器達到足夠高的能量來統一強核力與電磁力和弱相互作用。包括引力意味着更高的能量。甚至不清楚科學家是否能建造如此強大的加速器。位於日內瓦附近的大型強子對撞機(LHC)可以使粒子相互碰撞,其能量達到數萬億電子伏特(約14萬億電子伏特或TeV)。要達到大統一理論能量,粒子至少需要10萬億倍的能量,因此物理學家只能尋找此類理論的間接證據。

除了能量問題外,大統一理論(GUT)仍然存在一些問題,因為它們預測的其他觀測結果到目前為止並未實現。有幾種GUT認為,質子在極長的時間跨度內(約10^36年)應轉變成其他粒子。這從未觀測到,所以要麼質子的壽命比任何人想像的都長,要麼它們真的永遠穩定。某些類型的GUT預測的另一點是存在磁單極子(磁鐵的孤立「北極」和「南極」)也沒有人看到過。可能我們的粒子加速器還不夠強大。或者,物理學家對宇宙的工作原理可能是錯誤的。

8、黑洞內部發生了什麼?

物體的信息會如何?根據目前的理論,如果你將一個鐵立方體投入黑洞,那將沒有任何方法可以取回任何信息。這是因為黑洞的引力如此之強,其逃逸速度快於光速,因此沒有任何信號能從黑洞內部逃逸。然而,量子力學的一個分支聲稱信息不可能被完全湮滅。「如果你以某種方式湮滅了這些信息,某些東西就會出錯。」洛約拉大學芝加哥分校物理學副教授羅伯特·麥克尼斯說。

量子信息與我們以1和0的形式存儲在計算機中的信息或大腦中的信息有些不同。這是因為量子理論不會提供對象確切位置等精確信息,就像計算一個棒球的軌道一樣。相反,這些理論會顯示最可能的位置或某個行動最可能的結果。因此,各種事件的概率之和應為1,或100%。(例如,當你擲一個六面骰子時,某一面向上的機會是六分之一,所以所有面向上的概率之和為1,你不會超過100%肯定某件事會發生。)因此,量子理論被稱為單一的。如果你知道一個系統如何結束,你可以計算它如何開始。

描述黑洞,你只需要質量、角動量(如果它在旋轉)和電荷。黑洞除了緩慢滲出的熱輻射(所謂的霍金輻射)外什麼也不會釋放。據所知,沒有任何方法可以進行逆推算,以確定黑洞實際吞食了什麼。信息被銷毀。然而,量子理論聲稱信息不可能完全失去。這就是所謂的「黑洞信息悖論」。

麥克尼斯說,這方面有很多工作,尤其值得注意的是斯蒂芬·霍金和斯蒂芬·佩里在2015年的工作。他們建議,信息不是儲存在黑洞深處的事件視界內,而是被編碼在其表面。許多其他人也試圖解決這個悖論。到目前為止,物理學家對解釋意見不一,可能在相當長時間內仍存在分歧。

9、裸奇點存在嗎?

奇點是某個「物體」的某些屬性達到無限,因此我們所知的物理定律失效的地方。黑洞的中心是一個無限渺小且密集(含有有限數量的物質)的點——這個點被稱為奇點。在數學中,奇點隨處可見——除以零就是一個例子,坐標平面上的垂直線具有「無限」的斜率。事實上,垂直線的斜率只是未定義的。但是,奇點會是什麼樣子?它與宇宙的其餘部分會起何種相互作用?說某物沒有真正的表面和無限小意味着什麼?

「裸奇點」是可以與宇宙其餘部分相互作用的奇點。黑洞有事件視界——這是一個球形區域,沒有任何東西,甚至連光都無法逃逸。乍一看,您可能會認為裸奇點問題至少在黑洞方面得到部分解決,因為任何東西都無法逃出事件視界,奇點無法影響宇宙的其餘部分。(可以說,它「被覆蓋」,而裸奇點是一個沒有事件視界的黑洞。)

但是,奇點是否可以在沒有事件視界的情況下形成,這仍然是一個開放的問題。如果它們真的存在,那麼愛因斯坦的廣義相對論將需要修訂,因為在太接近奇點的系統中它會失效。裸奇點也可能充當蟲洞,這也將是時光機——儘管自然界沒有這方面的證據。

10、違反電荷-空間對稱性

如果將一個粒子與其反物質同胞交換,物理定律應該保持不變。因此,例如,帶正電荷的質子應該看起來與帶負電荷的反質子相同。這就是電荷對稱性原理。如果交換左右,物理定律再次應該看起來相同。這就是空間對稱性。兩者在一起被稱為CP對稱性。大多數時候,這條物理規則不會被違反。但是,某些奇異粒子違反這種對稱性。麥克尼斯說,這就是為什麼這很奇怪。「量子力學中不應該有任何違反CP的情況,」他說。「我們不知道為什麼會這樣。」

如果交換一個粒子及其反物質同胞,定律理應保持不變。所以質子帶正電,應與反質子帶負電看起來相同。這是電荷對稱原理。如果左右交換,定律再度應相同。這是空間對稱。兩者合稱CP對稱。多數時候此物理規則不違反。然某些奇異粒子違反此對稱。麥克尼斯說,故此奇怪。「量子力學中不應違反CP,」他說。「我們不知為何如此。」

若將一粒子其反物質同類換置,定則應相同。故正電質子應與負電反質子相同。此為電荷對稱原理。若左右換置,定則再應相同。此為空間對稱。兩者合稱CP對稱。通常此物理規則不違反。然某些奇特粒子違反此對稱。麥克尼斯說,故奇怪。「量子力學中不應違反CP,」他說。「我們不知何故如此。」

11、當聲波產生光時

儘管許多未解之謎源自粒子物理學,但某些謎題可以在實驗室的工作枱上觀察到。聲發光就是其中之一。如果你在水中產生聲波,會形成氣泡。這些氣泡是低壓區域,外部高壓會推擠低壓空氣,氣泡很快就會坍縮。當這些氣泡坍縮時,會發出光,閃光持續萬億分之一秒。

問題是,光的來源尚不清楚。理論範圍從微型核聚變反應到某種電放電,甚至是氣泡內氣體的壓縮加熱。物理學家已經測量了氣泡內極高的溫度,高達數萬華氏度,並拍攝了它們產生的光。但是,沒有令人信服的解釋說明聲波如何在氣泡中產生這些光。

12、標準模型之外是什麼?

標準模型是有史以來最成功的物理理論之一。它經受住了40年來檢驗它的各種實驗,新實驗繼續顯示它是正確的。標準模型描述了組成我們周圍一切的粒子的行為,也解釋了為什麼,例如,粒子具有質量。事實上,2012年發現的希格斯玻色子(給予物質質量的粒子)是歷史性的里程碑,因為它確認了長期以來預測其存在的預測。但標準模型並不能解釋一切。標準模型已經成功預測了許多東西,例如希格斯玻色子、W和Z玻色子(它們調控放射性的弱相互作用)以及夸克,所以很難看出物理學可能超越它。儘管如此,大多數物理學家同意標準模型並不完整。有幾個競爭理論可以作為更完整的模型,弦論就是其中一個模型,但到目前為止,沒有一個理論被實驗明確證實。

13、基本常數

無量綱常數是沒有單位的數。光速,例如,以米每秒(或每秒18萬6282英里)為單位進行測量。與光速不同,無量綱常數沒有單位,可以測量,但無法從理論中推導,而光速等常數可以。

在天文學家馬丁·里斯的書《只有六個數字:塑造宇宙的深層力量》(Basic Books,2001年)中,他重點介紹了他認為對物理學至關重要的某些「無量綱常數」。事實上,這遠不止六個;標準模型中約有25個。

例如,精細結構常數,通常寫為α,控制着磁相互作用的強度。它約為0.007297。使這個數字變得奇怪的是,如果它有任何不同,穩定的物質就不會存在。另一個例子是許多基本粒子的質量與普朗克質量(1.22×10GeV/ c²)的比值。物理學家不知道為什麼這些比值採取它們所採取的值。如果任何常數的值有所不同,宇宙就不會如今天這樣。

里斯認為,對這些常數的值進行精細調整來產生充足的碳和氧來支持生命是「令人費解的巧合」。他推測,也許這些值在不同的宇宙中會有所不同。如果真是如此,那麼生命需要的特定值組合可能會非常罕見。「在多宇宙假說中,生命甚至可能是非常罕見的,」里斯寫道。「在大多數宇宙中,物理學常數的任意微小變化都可能導致穩定的化學物質的不存在以及生命的不可能。」因此,理解這些無量綱常數的數值有什麼含義及其修改會導致什麼後果,這些都是物理學家面臨的重大未解之謎。現在還沒有令人信服的理論解釋為什麼這些值是它們所採取的數值。「我們需要一種理論,一種量子理論,來說明為什麼這些常數具有觀察到的值,」麥克尼斯說。

14、引力是到底什麼?

到底什麼是引力?其他力量是由粒子傳遞的。例如,電磁力是光子交換引起的。弱核力是由W和Z玻色子傳遞的,而膠子傳遞強核力,使原子核緊密結合。麥克尼斯說,其他所有力量都可以量化,這意味着它們可以表示為單個粒子並具有非連續的值。

引力似乎不是這樣的。大多數物理理論認為,它應該由一種假想的無質量粒子引力子來傳遞。問題是,至今還沒有找到引力子,而且不清楚是否可以建造任何能檢測到它們的粒子探測器,因為如果引力子與物質相互作用,它們的相互作用頻率非常非常低——如此之低,以至於它們會消失在背景噪聲中。甚至不清楚引力子是否無質量,儘管如果它們有任何質量,這質量也非常非常小——比中微子更小,中微子是已知最輕的粒子之一。弦理論假定引力子(和其他粒子)是封閉的能量迴路,但數學工作到目前為止並未產生太多洞見。

由於引力子還未被觀測到,引力一直難以理解為我們理解其他力那樣——粒子交換。一些物理學家,特別是泰奧多爾·卡魯扎和奧斯卡·克萊因認為,引力可能在我們熟悉的三維空間(長度、寬度和高度)和一維時間(持續時間)之外的額外維度中以粒子的形式運作,但這是否屬實尚不得而知。

15、我們生活在虛假的真空中嗎?

宇宙似乎相對穩定。畢竟,它已經存在約138億年了。但是,如果整個宇宙是一個巨大的意外呢?

一切都始於希格斯粒子和宇宙的真空。真空或空間應該具有最低可能的能量狀態,因為裏面沒有任何東西。與此同時,希格斯玻色子——通過所謂的希格斯場——使一切具有質量。加利福尼亞大學洛杉磯分校物理學和天文學教授亞歷山大·庫森科在《物理學》期刊上寫道,真空的能量狀態可以從希格斯場的勢能能量以及希格斯粒子和頂夸克(一種基本粒子)的質量計算得出。

到目前為止,這些計算似乎顯示宇宙的真空可能不是最低可能的能量狀態。這意味着它是一個虛假的真空。如果屬實,我們的宇宙可能不是穩定的,因為虛假真空可以通過足夠激烈和高能的事件降至較低的能量狀態。如果發生這種情況,會產生所謂的氣泡成核現象。較低能量真空的球體會以光速開始增長。什麼也不會倖免,甚至連物質本身也不會。實際上,我們將用另一個宇宙來代替現有宇宙,該宇宙可能具有非常不同的物理定律。

這聽起來很可怕,但鑑於宇宙仍然存在,顯然迄今為止還沒有發生這樣的事件,天文學家已經觀察到伽馬射線暴、超新星和類星體,所有這些都是相當高能量的事件。所以,這種可能性很小,我們大可不必太擔心。也就是說,虛假真空的概念意味着我們的宇宙可能正是通過這種方式突然出現的,當先前宇宙的虛假真空被擊入較低的能量狀態時。或許我們就是某個粒子加速器意外的結果。

16、磁鐵的兩極是什麼?

磁鐵有一個北極和一個南極。然而,任何人都未直接觀測過這兩個極點——我們只觀測到它們的作用。這兩個極點可能只是人為定義的事件:採取定向的場線會集中在某一點並湧出,這點就是所謂的「北」極,而相反的點就是「南」極。實際上,沒有人看到過這些點——我們的加速器可能還不夠強大。或者,物理學家對宇宙的認識可能有誤。

17、光子有質量嗎?

根據愛因斯坦的相對論,光子應沒有靜止質量。這意味着理論上,光速應為最大速度,而光子的能量僅取決於其頻率。當然,這與實驗測量非常一致。

然而,量子力學的某些版本要求所有粒子都具有一定量的輕微質量,以保證因果性和能量守恆等概念。事實上,某些理論如矢量-張量理論和Kaluza-Klein理論預測,光子的質量最高可達10eV/c2,小得難以置信,但仍然非零。目前的實驗限制光子的質量上限約為10eV/c²,所以還無法完全排除這些理論。

如果確實發現光子有非零質量,那麼相對論和量子力學之間的矛盾將變得更加尖銳,需要一個更高層次的理論來協調二者。發現光子的非零質量將是一項重大發現,必將導致物理學的重大轉變。然而,許多物理學家認為,尋找如此之小的質量可能是徒勞的,相對論的初始假設,光速是最大速度,光子沒有靜止質量,可能依然正確。

18、黑體輻射的具體機制是什麼?

黑體是完美的輻射物體:它吸收落入其上的所有電磁輻射,內部將其轉化為熱能。根據普朗克公式,黑體會以光譜連續方式再發出這些能量。這個過程被稱為黑體輻射,其光譜遵循普朗克曲線。

問題是,黑體輻射的具體機制尚不清楚。為何會有這樣的光譜?為何曲線的形狀是給出的形式?普朗克在1901年提出了著名的普朗克公式來描述這一現象,但他自己也不清楚其物理機制。「在當時,有許多理論家努力理解電磁輻射的本性,」麥克尼斯說。「普朗克設法找到一種數學關係來匹配實驗數據,但他並不知道其物理意義。」

事實上,直到1926年,齊奧多爾·希爾伯特提出波-粒二相性之前,人們才開始理解普朗克公式背後的物理機制。希爾伯特認為,電磁場由離散的量子組成,每一個量子的能量取決於其頻率。這一概念隨後被稱為「光子」。普朗克公式描述了黑體內部光子所具有的可能的各種能量。該理論獲得廣泛接受,但仍未完全解決這個難題。「我們現在有了更好的理解,」麥克尼斯說,「但黑體輻射的某些方面仍存在爭議。」例如,「我們無法從第一原理得到普朗克公式中的精確常數。」理解黑體輻射及其各種參數的最深層物理機制依然是理論物理學的重要課題。

責任編輯: 李華  來源:煎蛋網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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