现代物理学的九大终结问题

1900年，英国物理学家开尔文勋爵幸灾乐祸地说:“物理学中没有什么重要的东西没有被发现。其余的未知很容易被准确地观察到。”但是在接下来的30年里，量子力学和爱因斯坦的相对论推翻了这个结论。今天，没有物理学家敢断言我们对物理和宇宙的理解已经“接近完成”相反，每一个新发现似乎都打开了另一个“潘多拉盒子”——喷出更深、更多的物理问题。

这里是我们选择的著名的开放的物理学未解决的问题。

什么是暗能量？

无论天体物理学家如何改进这些数字，都没有必要给宇宙模型添加任何东西。然而，尽管重力在空间和时间上向内拉，宇宙的结构继续向外延伸——向外扩张越来越快。为了解释这一点，天文学家提出了一种不可见的介质，通过推开空间和时间来抵消重力的影响，这种介质被称为“暗能量”。在大多数被广泛接受的暗能量模型中，暗能量是一种“宇宙常数”——空间的一种固有属性，它具有“负压”来将空间拉开。随着空间的扩大，更多的空间被释放，然后黑暗能量进入。根据观察到的膨胀速率，科学家认为暗能量的总和构成了宇宙的70%以上。但是没有人知道如何找到它。

什么是暗物质？

显然，宇宙中84%的物质既不吸收也不发光。“暗物质”，就像它的名字一样，不能被直接观察或间接探测到。暗物质的存在源于引力效应、辐射和可见物质的宇宙结构理论。这种难以捉摸的物质理论上遍布银河系，应该是弱相互作用的一部分。世界上已经有好几个探测器在寻找WIMP，但是到目前为止它们还没有被成功探测出来。

熵是怎么回事？

时间在流逝，因为宇宙的熵(即它的混沌)只会增加，我们无法逆转这种增加。“熵总是增加”这一事实包含了一种逻辑，即混乱的物质排列总是比规则的排列更常见，当你改变事物时，它通常会陷入混乱。但这里的问题是:为什么熵在过去如此之低？换句话说，当大量能量被挤压到一个狭窄的空间时，为什么宇宙最初是有序的？

六、平行宇宙存在吗？

天体物理学数据显示，时空不是弯曲的，而是可能是“平坦的”，因此它会延伸。如果是这样的话，我们所能观察到的(也就是我们所认为的“宇宙”)只是一个无限多宇宙中的一小块。同时，量子力学定律还假设每个“宇宙块”(总共大约有10个22个122个宇宙块)的粒子排列有一个可能性的上限，所以，与无限的“补丁宇宙”相比，肯定会有一些重复粒子排列的宇宙——而且会有无限个相同排列的平行宇宙(里面有完全相同的你和我)，也会有只有一个粒子位置不同的宇宙，以及有两个粒子不同的宇宙...完全不同的宇宙。

这种逻辑有缺陷吗？或者这个奇怪的结论是真的吗？这怎么可能？如果正确，我们如何证明平行宇宙的存在？

为什么物质比反物质更重要？

为什么物质比反物质粒子更丰富？反物质粒子是带相反电荷和相反自旋方向的双胞胎。反物质基本上是物质为什么存在的问题。我们假设宇宙中的物质和反物质是平衡的，并且在大爆炸的时刻一起产生。但如果是这样的话，这两种物质将无法存活到现在:那时，质子和反质子将会相互湮灭，电子和正电子将会相互抵消，中子和反质子也是如此——只留下大量的光子。目前，我们无法对这些事情给出令人信服的解释。

宇宙的命运是什么？

宇宙的命运在很大程度上取决于未知值的参数:ω，在整个宇宙水平上物质和能量密度的量度。如果ω大于1，时间和空间将被封闭在一个巨大的球体中。如果没有暗能量，这样的宇宙将停止膨胀，然后开始收缩，最后在“大收缩”事件中崩溃。如果宇宙是封闭的，但暗能量确实存在——那么球形宇宙将永远膨胀。

此外，如果ω小于1，空间的形状将类似于一个“开放”抛物面。在这种情况下，它的最终命运是“大冻结”，然后是“大撕裂”:首先，宇宙向外加速，撕裂星系和恒星，只留下冰冷的碎片。当宇宙的加速度太大时，会发生以下情况:加速度太大，原子间的结合力无法再约束自己，所有的物质都会散开，分散到各处。

如果ω = 1，宇宙将是稳定的，就像一个在所有方向上无限延伸的平面。如果没有暗能量，这种状态将永远保持，但会逐渐减速直至停滞。如果暗能量存在并且能够抵抗膨胀的速度，宇宙最终将会分裂。

不管会是什么，都会是.

三、为什么不能精确测定微小粒子？

在电子和光子等基本粒子的奇怪世界里，所有的定律都遵循量子力学。粒子不像一个小球，而是以“爆发”的形式分布在一个更大的区域。每个粒子都用波函数或概率分布来描述。波函数描述了它的“可能”位置、速度和其他特征，但它就是不能得到一个确定的值。基本粒子的属性在这个范围内。如果你用实验方法测量其中一个粒子，你可以得到一个精确的位置——因为波函数塌缩了。(婴儿量子力学讲座到此结束)

但是为什么你要测量一个粒子，瓦解它的波函数并产生特定的值呢？这个问题叫做不确定性，看起来非常深刻。然而，我们可以理解，粒子的存在取决于观察结果。

第二，弦理论正确吗？

物理学家假设所有的基本粒子实际上都是一维环或弦。每个粒子以不同的频率振动，这使得物理解释更加容易。弦理论使物理学家能够调和粒子世界的基本定律，并利用“广义相对论”的时空理论将自然界的四种基本粒子统一成一个单一的理论框架。但问题是弦理论只适用于11或10维的宇宙，比如一个有三个普通空间、六七个压缩空间和一个时间维度的世界——就像振动的弦。这个空间的大小可能是原子核大小的一万亿分之一到十亿分之一，目前还没有办法探测到它，所以弦理论的正确性是未知的。

首先，混乱意味着秩序吗？

到目前为止，物理学家还不能精确地求解描述流体行为的方程——流体包括从水到空气的所有液体和气体。事实上，我们不知道所谓的纳维尔-斯托克斯方程是否有通解。换句话说，可能有一个理论可以解释所有的流体，或者流体理论本身必须包含一个未知的“奇点”。因此，人们对“混沌”物质的规律仍然知之甚少。物理学家和数学家都想知道天气本身是“不可预测的”还是“天生不可预测的”？这是否意味着这些事情超出了数学的范围，或者只是人们暂时还没有找到合理的数学工具？