物理学十大未解之谜

　　

　　如果你曾经看过一集《星际迷航》或《生活大爆炸》，那么你就知道，物理学可以以一种有趣的方式让大众了解。我们最喜欢的科幻和喜剧作家可能不会把每个细节都写对，但他们确实激发了我们对科学理论中更奇怪的方面的兴趣。今天，我们将谈论物理学尚未解释的10个真正的谜团。从外星通讯到时间旅行，再到涌出的水龙头，我们将努力使这些谜团为每个人所理解。你甚至可能想自己进一步探索这些话题。毕竟，有百万美元的奖金等着解决一些宇宙难题的人。你可能会得到诺贝尔奖，也会改变世界。

　　

　　我们的大气层不断被来自外太空的高能量粒子击中。这些被称为 "宇宙射线"。虽然它们不会对人类造成太大的伤害，但它们却让物理学家着迷。观察宇宙射线让我们学到了很多关于天体物理学和粒子物理学的知识。1962年，在火山牧场实验中，约翰-D-林斯利博士和利维奥-斯卡西看到了令人难以置信的东西：一种能量超过16焦耳的超高能宇宙射线。 为了方便我们理解，我们可以把一焦耳看成大约是将一个苹果从地板上抬到桌子上所需的能量。不过，所有这些能量都集中在一个比苹果小1亿亿倍的粒子中。这意味着它的速度非常接近于光速！物理学家们还不知道这一点！

　　物理学家还不知道这些粒子是如何获得如此惊人的能量的。一些理论包括它们可能来自超新星，当恒星在其生命末期爆炸时。这些粒子也可能是在黑洞周围形成的坍缩物质盘中被加速的。

　　

　　宇宙在大尺度上是惊人的平坦。这就是所谓的 "宇宙学原理"——即无论你在宇宙中走到哪里，平均都有大致相同数量的东西。但大爆炸理论表明，在最早的时候，早期宇宙的密度肯定有很大的差异。所以它比我们今天的宇宙要质量大得多。通胀理论表明，我们今天看到的宇宙来自早期宇宙的一个微小体积。这个微小的体积突然迅速膨胀——远比今天的宇宙膨胀速度快。就像你在气球上画画，然后给它注入空气，通胀把早期宇宙中的所有肿块 "拉长"，解释了为什么我们今天有一个相当平整的宇宙——无论你去哪里，条件都差不多。在这个通货膨胀期间发生的细节也很粗略。对这个时代有更好的了解可以告诉我们关于今天的宇宙的很多情况。

　　

　　这是一个惊人的事实：宇宙中只有大约5%的物质是由我们能看到的物质组成的。物理学家在几十年前注意到，星系外围的恒星围绕这些星系中心的运行速度比预测的要快。

　　为了解释这个问题，科学家们提出，在这些星系中可能存在一些看不见的 "暗 "物质，导致恒星旋转得更快。在这之后，对宇宙膨胀的观察使物理学家得出结论，那里一定有更多的暗物质——是我们可以看到的物质的五倍。与此同时，我们知道宇宙的膨胀实际上正在加速。这很奇怪，因为我们期望物质的引力——包括 "光 "和 "暗"--能够减缓宇宙的膨胀。结合这一事实，宇宙是平的——空间——时间，总的来说，不是弯曲的宇宙学家需要一个解释来平衡物质的引力。"暗能量 "是解决方案。宇宙中的大部分能量不可能被锁在物质中，相反，它正在推动宇宙的膨胀。物理学家认为，宇宙中至少有70%的能量是以暗能量的形式存在的。

　　然而时至今日，构成暗物质的粒子和构成暗能量的场还没有在实验室中被直接观测到。观察暗物质是困难的，因为它不与光互动，而这正是通常的观察方式。但物理学家们希望暗物质粒子可能在大型强子对撞机（LHC）中产生，在那里可以对它们进行研究。结果可能是暗物质粒子比大型强子对撞机能够产生的任何东西都要重，在这种情况下，它可能在更长的时间内保持神秘。暗能量得到了对宇宙的许多不同观察的支持，但它仍然是非常神秘的。

　　在一个非常现实的意义上，它可能是 "空间就是喜欢膨胀"，而我们只有在非常大的尺度上才能看到它的膨胀。或者也许暗物质和暗能量的解释是不正确的，需要一个全新的理论。但它必须比目前的理论更好地解释我们看到的一切，然后物理学家才会采用它。即便如此，想到我们可能对宇宙的95%知之甚少，这也是不可思议的。

　　

　　黑洞是天体物理学中最著名的一些物体，我们可以把它们描述为具有如此强大引力场的时空区域，甚至连光都无法逃脱。

　　自从阿尔伯特-爱因斯坦用他的广义相对论表明引力 "弯曲 "了空间和时间以来，我们就知道光对引力效应是没有免疫力的。

　　事实上，爱因斯坦的理论在一次日食中得到了证明，日食表明太阳的引力正在偏转来自遥远恒星的遥远光线。从那时起，许多黑洞被观察到，包括我们银河系中心的一个巨大的、超大质量的黑洞。(别担心，它不会很快吞噬太阳。)但黑洞中心发生什么的谜团仍未解决。一些物理学家认为可能有一个 "奇点"——一个无限密度的点，一些质量集中到一个无限小的空间。这很难想象。更糟糕的是，在这个理论中，任何奇点都会导致黑洞，所以我们没有办法直接观察到奇点。关于黑洞内的信息是否丢失，仍然存在争议。它们吸收粒子和辐射并发射霍金辐射，但霍金辐射似乎并不包含关于黑洞内发生的任何进一步信息。

　　至少在目前看来，不可能了解黑洞的核心是什么，这一事实使得科幻作家们几十年来一直在猜测黑洞是否能包含不同的宇宙或用于远程传输或时间旅行。由于被黑洞吸收涉及到被拉伸成一串原子（"spaghettification"），我们并不自愿冒险进去寻找答案。

　　

　　自从人们仰望夜空，想知道外面可能存在的东西以来，他们就一直在梦想着外星人。但在最近几十年里，我们已经发现了很多诱人的证据。

　　首先，行星比人们最初想象的要普遍得多，大多数恒星都有一个行星系统。我们还知道，从我们的星球变得适合居住到它出现生命之间的时间差距相当小。这是否表明生命有可能形成？如果是这样，我们就有了著名的 "费米悖论"：为什么我们还没有与外星人沟通？"费米悖论 "有很多解决方案，从狂野的到更悲伤和世俗的。它真正显示了当你只有一个数据点时，要得出任何好的科学结论的困难。我们知道智能生命在这个星球上进化（好吧，也许这是值得商榷的），这意味着它可以发生。但我们无法知道我们是否只是得到了难以置信的运气。或者也许我们的星球有什么特别之处，使得它极其罕见但却适合承载生命。或者也许生命开始的概率极低，所以那里的外星文明很少，甚至没有。

　　天文学家弗兰克-德雷克把他的 "德雷克方程"放在一起，作为看待这个问题的所有不同方面的一种方式。每一个术语都代表了我们可能无法与智慧生命交流的原因。也许生命很常见，但智慧生命却很罕见。也许，过了一段时间，所有的文明都决定不与其他生命形式交流。他们就在那里，但他们不想和我们交谈。或者，令人不寒而栗的是，也许这表明许多外星文明在技术上变得足够先进，可以进行交流后不久就自我毁灭。我们可以担心这种情况发生在地球上的核武器或失控的人工智能。甚至有人认为，缺乏来自外星人的沟通证明世界是由上帝创造的，或者是作为计算机模拟的一部分。

　　现实是，我们并没有找了那么久，而且太空是难以想象的广阔。信号很容易丢失，一个外星文明必须发出强大的无线电信号，我们才能接收到它。但是想到外星文明的发现可能发生在明天，并永远改变我们对宇宙的理解，这是很令人兴奋的。

　　

　　自从爱因斯坦用他的狭义相对论改变了物理学的面貌以来，物理学家们一直确信，没有什么东西能比光速更快。

　　事实上，相对论预言，任何有质量的东西要想以光速飞行，需要无限的能量。相对于它们的体积来说，它们具有非凡的能量，但它们仍然不能以这么快的速度传播。光速作为一个硬性限制也可以解释为什么外星文明的通信是不可能的。如果他们也受此限制，信号可能需要数千年才能到达。但人们不断质疑是否有一些方法可以绕过宇宙的速度限制。

　　2011年，OPERA实验有一些初步结果，表明中微子的速度超过了光速。但研究人员后来注意到他们的实验设置中存在一些额外的错误，证实结果是不正确的。如果存在任何比光速更快的物质或信息交流方式，它无疑将改变世界。比光速更快的旅行违反了一种叫做因果关系的东西--事件的原因和结果之间的关系。

　　由于狭义相对论中时间和空间相互关联的方式，比光速更快的信息将允许一个人在事件 "发生"（据他们说）之前收到关于它的信息——一种时间旅行。所以它似乎很可能不存在。但如果你确实设法开发了它，请在昨天告诉我们。

　　

　　回到地球上，在我们的日常生活中，仍然有很多事情是难以理解的。如果你让水轻轻地流，你就会看到解决了的物理问题——一种我们很好理解的流动，叫做 "层状流动"。但是，如果你把水调到最大压力，看着它溅射和喷出，你就看到了湍流的例子。

　　在许多方面，湍流仍然是物理学中的一个未解决的问题。纳维尔-斯托克斯方程决定了像水和空气这样的流体应该如何流动。这个方程有点像力的平衡。我们想象一下，流体被分解成小块的质量。然后方程考虑到所有作用在这个包裹上的各种力--重力、摩擦力、压力--并试图确定包裹的速度应该如何反应。对于简单或稳定的流动，我们可以找到完全描述流动的纳维尔-斯托克斯方程的解决方案。物理学家可以写下一个方程，告诉你流体在流动中任何一点的速度（速度和方向）。但对于复杂的、湍流的流动，这些解决方案开始崩溃。我们仍然可以通过使用大型计算机数值求解方程来做很多关于湍流的科学。这给了我们一个近似的答案，而没有一个能完全解释流体行为方式的公式。

　　但在我们找到那些难以捉摸的解决方案之前，我们的知识将是不完整的。顺便说一下，这是克莱研究所奖的未解决的问题之一。

　　

　　超导体可能是人类所发现的一些最重要的设备和技术。它们是特殊类型的材料，当温度降到足够低时，材料的电阻就会降到零。这意味着，你只需在超导体上施加很小的电压，就能获得巨大的电流。如果你让电流在超导线上流动，它可以持续流动数十亿年而不耗散，因为它的流动没有阻力。它们不是超导的，有电阻，当你通过电流时，会导致它们发热。超导体可以将这些损失减少到零。但超导体的可能性比这更令人兴奋。一根电线产生的磁场的强度取决于流经该电线的电流。如果你能在超导体中廉价地获得非常高的电流，你就能获得真正强大的磁场。这些磁场目前被用于大型强子对撞机，使快速移动的带电粒子在其环形结构中转向。它们也被用于实验性的核聚变反应堆，这可能在未来为我们提供电力。

　　问题是，所有已知的超导体都需要在这些非常低的温度下才能工作。即使是我们最热的温度超导体也需要在-140摄氏度（-220°F）的温度下才能开始表现出这种奇妙的特性。将它们冷却到这些低温通常需要液氮或类似的东西。因此，这样做非常昂贵。世界各地的许多物理学家和材料科学家正在努力开发圣杯——可以在室温下工作的超导体。但是还没有人做到这一点。

　　

　　在某些方面，我们仍然不知道为什么任何东西都存在。这是一个大胆的声明，但却是事实 对于每一个粒子，都有一个相等和相反的粒子，称为反粒子。因此，对于电子，有正电子。对于质子，有反质子。以此类推。如果一个粒子接触到它的反粒子，它们就会湮灭并变成辐射。因为你可能不想被湮灭，所以反物质是非常罕见的，这是一件好事。有时，它落在宇宙射线中。我们也可以在粒子加速器中以每克数万亿美元的价格制造反物质。但总的来说，它在我们的宇宙中似乎是非常罕见的。这是一个真正的谜。我们根本不知道为什么物质在我们的宇宙中占主导地位而不是反物质。每个已知的将能量（辐射）变为物质的过程都会产生相同数量的物质和反物质。

　　因此，如果宇宙开始时由能量主导，为什么后来没有产生等量的物质和反物质呢？

　　我们可以想象一个宇宙，能量变成物质-反物质对。然后它们会相互湮灭，永远变回能量。但是将没有结构，没有星星，也没有生命。有一些理论可能会解释这一点。科学家们在大型强子对撞机上探测粒子的相互作用，正在寻找 "CP违反 "的例子。如果它们发生了，这些相互作用可以表明物理定律对物质和反物质粒子是不同的。

　　那么我们可以想象，也许有一些过程比反物质更容易产生物质，这就是为什么我们看到一个以物质为主的不对称宇宙。有趣的是，要质疑这一点可能比你想象的更难。反物质和物质以同样的方式与辐射互动，因此它们看起来完全一样。我们的望远镜无法区分反物质星系和物质星系。但这些理论必须解释物质和反物质是如何分离的，以及为什么我们没有看到物质和反物质碰撞和湮灭时产生大量辐射的证据。除非我们发现反物质星系的证据，否则早期宇宙中的CP违反看起来是最佳解决方案。但我们仍然不知道它到底是如何运作的。

　　

　　在20世纪，有两个伟大的理论被开发出来，解释了很多关于物理学的问题。一个是量子力学，它详细说明了微小的亚原子粒子的行为和互动方式。量子力学和粒子物理学的标准模型已经解释了自然界四种物理力量中的三种：电磁力和强、弱核力。它的预测是惊人的准确，尽管人们仍在争论该理论的哲学意义。

　　另一个伟大的理论是爱因斯坦的广义相对论，它解释了重力。在广义相对论中，引力的发生是由于质量的存在使空间和时间弯曲，导致粒子遵循的路径由于时空被弯曲而变得弯曲。它可以解释发生在最大规模上的事情——星系的形成和星星的舞蹈。这两种理论是不相容的。我们无法用量子力学的方式来解释引力，而广义相对论也不包括量子力学的影响。就我们所知，两种理论都是正确的。

　　自从意识到这一点后，物理学家们一直在研究某种能够调和这两种理论的解决方案，这被称为大统一理论（GUT）或只是万物理论。

　　科学家们已经习惯了只在一定范围内发挥作用的理论的想法。例如，牛顿的运动定律是你对狭义相对论进行低速限制后得到的。另外，电和磁曾经被认为是完全不同的理论，直到麦克斯韦将它们统一为电磁学。物理学家希望能够 "放大"，看到量子力学和广义相对论都是一个更大的理论的一部分，就像被子里的补丁。弦理论是一种尝试，可以重现广义相对论和量子力学的特征。但它很难用实验来检验它的预测，所以它不能被证实。对一个基本理论——能解释一切的理论--的探索还在继续。也许我们永远不会找到它。但是，如果物理学教会了我们什么，那就是宇宙真的很了不起，总是有新的东西可以发现。在业余时间，他发布了一个物理播客——《物理吸引力》，试图用一句话来解释物理学。

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