物理中的九个潘多拉魔盒

1900年，英国物理学家开尔文勋爵曾断言:“物理学中找不到任何东西。剩下的工作就是不断提高精确度。”但是三十年后，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宣称我们对宇宙有完整的了解。相反，每一个新发现都会打开一个更大的潘多拉盒子，里面有更深的疑问。

暗能量

无论天体物理学家如何计算，他们都无法拼凑出一个完整的宇宙。即使重力不断地在时空体中来回拉动宇宙，宇宙的结构仍在以越来越快的速度向外扩张。为了解决这个问题，天体物理学家设想有一种无形的反重力载体，它不断地将时间和空间分开。他们称这种东西为“暗能量”。在一个被广泛接受的暗能量模型中，暗能量是一个“宇宙常数”:一个空间本身固有的特征，它能产生一个“负压”并不断扩大空间。随着空间的不断扩大，会产生更多的空间，因此空间固有的暗能量会越来越多。根据对宇宙膨胀速度的观察，科学家们已经知道所有暗能量占宇宙总量的70%以上。然而，没有人知道如何找到暗能量。

暗物质

显然，宇宙中84%的物质既不吸收光也不发光。顾名思义，“暗物质”不能被直接看到，也从未被间接探测到。我们只能从暗物质对可见物质、辐射和宇宙结构的引力效应来推断暗物质的存在和特征。人们认为这种虚幻的物质散布在银河系周围，可能由“弱相互作用重粒子(WIMP)”组成。人们已经在世界各地安装了许多传感器来寻找这种粒子，但是到目前为止，还没有发现。

时间之箭

时间向前移动的原因是宇宙的一个属性——“熵”，可以粗略地理解为无序的程度，只会增加，所以熵在事件发生后不能逆转。熵的增加是一个逻辑问题:无序排列的粒子比有序排列的粒子多，因此随着事件的变化，它们往往会无序排列。但这背后的问题是，为什么熵在过去如此之低？换句话说，为什么在一个小空间里充满大能量的婴儿宇宙如此有序？

平行宇宙

天体物理学数据显示，时空可能是“平坦的”，而不是弯曲的，因此它可能是永恒的。如果是这样，我们能看到的区域(我们把它看作“宇宙”)只是无限“多元宇宙”的一小部分。同时，量子力学定律表明，粒子排列的可能性在每个小宇宙中都是有限的(可能有10×10×122)。因此，由于无限多个这样的小宇宙的存在，粒子的排列将在无数次之后重复。换句话说，平行宇宙的数量是无限的:有些和我们完全一样(有一个人和你完全一样)，有些和我们不同，只在一个粒子的位置上，有些和我们不同，在两个粒子的位置上，这样一直持续到一个和我们完全不同的宇宙。

这种逻辑错了吗？结果如此奇怪是真的吗？如果是这样，我们如何测试平行宇宙的存在？

物质和反物质

为什么物质的反物质比其电荷和旋转方向相反的同胞多？这实际上是在问为什么世界上的一切都存在。一种假设是宇宙平等对待物质和反物质。如果是这样的话，在大爆炸期间将会产生等量的物质和反物质。但在这种情况下，一切都将被彻底消灭:质子将消灭反质子，电子将消灭反质子(正电子)，中子将消灭反质子，等等，只留下一片没有物质的光子海洋。然而，事实上，还有一点物质，它还没有完全消失，这就是我们在这里的原因。为什么会这样？人们仍然迷惑不解。

宇宙的命运

宇宙的命运在很大程度上取决于一个值，即宇宙中物质和能量的密度。如果ω大于1，那么时空就像一个巨大球体的表面一样是“封闭的”。如果没有暗能量，那么这样的宇宙最终将停止膨胀，开始收缩，并最终以所谓的“大挤压”事件结束。如果宇宙是封闭的，但有暗能量，那么球形宇宙将永远膨胀。

如果ω小于1，那么空间的几何形状将像马鞍一样“开放”。如果是这样的话，宇宙将首先经历一次“大冻结”，然后经历一次“大撕裂”:宇宙的加速膨胀将首先瓦解所有的星系和恒星，使一切都处于寒冷和孤独之中；然后它会进一步发展，甚至原子再也不能结合在一起，一切都会分崩离析。

如果ω等于1，宇宙将是平的，并且在所有方向上都是无限平的。没有暗能量，这样一个扁平的宇宙会以下降的速度膨胀，直到最终达到平衡。如果有暗能量，那么平坦的宇宙最终将经历不受控制的膨胀，导致“大撕裂”。

顺其自然吧。

波函数的崩溃

量子力学定律支配着电子、光子和其他基本粒子的奇怪领域。粒子不同于小球，更像是大范围存在的波。每个粒子分布的概率可以用“波函数”来描述。我们从中知道的是它的位置、速度和其他特征的可能性，而不是确切的值。一个粒子实际上是一组具有所有特征的值，直到你通过实验来测量这些值中的一个——比如位置——当你测量时，粒子的波函数“塌缩”，它的位置将是唯一的。

为什么对一个粒子的测量会导致它的波函数崩溃，从而产生一个我们可以理解的现实？这个问题叫做量子测量问题，看起来很难理解，但是我们对现实的理解，或者探索现实是否存在，取决于这个问题的答案。

弦理论

当物理学家将所有基本粒子描述为一维环，或以不同频率规律振动的“弦”时，物理学变得简单了。弦理论使物理学家能够调和支配粒子的量子力学和支配空间和时间的广义相对论，并在一个框架内统一自然界的四种基本力量。但问题是，为了让弦理论发挥作用，宇宙必须有10到11个维度:3个大维度，6到7个压缩维度，加上一个时间维度。压缩维度和振动弦本身的尺度比原子核小十亿倍。我们无法测试如此小的规模，所以弦理论不能被实验证明或被实验证伪。

混沌中的秩序

物理学家无法用一组方程清楚地描述流体的行为，无论是水、空气还是其他液体和气体。事实上，还不清楚在这个领域是否有一个共同的解决办法，即所谓的纳维尔-斯托克斯方程。即使有这样一个解决方案，也不清楚它是否能描述所有的流体，或者是否存在一个永远不会为人所知的“奇点”。因此，我们仍然没有很好地理解自然界的混沌状态。物理学家和数学家仍然犹豫不决。天气是不可预测的还是不可预测的？湍流超出了数学的描述能力，还是我们没有找到正确的方法？