21 世纪最新出现了什么物理界的难题，就好像 20 世纪的两大乌云一样？ 第1页

受到各位知友的鼓励，觉得有责任对更广大的读者负责，并且也希望更多的人了解到物理的前沿概貌。在此对原答案进行了详尽的修改，并尽量保持每一个名词的出现都伴有通俗解释。

2019/06/22更新添加了“夸克禁闭”。

列一些个人比较熟悉的吧(仅限高能方向，按个人认为的重要性排序)

如果只说两朵乌云，那么个人觉得还是被提及最多的两个：暗物质和暗能量。
不过对暗物质和暗能量的理解却并非那么简单。

1，暗物质

暗物质的证据：
1）星系旋转曲线

一开始得出我们这个宇宙可能含有暗物质这个结论来自于对星系的观测。我们可以根据星系的光度估算出星系所含有的物质质量，但天文学家发现这些质量产生的引力不足于解释星系旋转速度所需要的向心力。如下图，测得的星系转动速度随离星系中心距离变化的曲线如B所示，而根据发光物质推算出的理论速度如A所示。

所以这就说明了还有一部分物质是不发光的，是暗的。如果只有这一个证据，那么可以有多种解释。最重要的一个是修正牛顿引力(MOND，modified Newtonian dynamics)，以及黑洞作为暗物质等。

暗物质还有更多其它证据，而这些证据的限制则更强。

2）原初核合成

所谓原初核合成是指自然界的轻元素在宇宙极早期阶段被合成的过程，如宇宙中的绝大部分氢和氦就是在原初核合成时期合成的。宇宙中轻元素丰度依赖于合成时质子中子的密度，由轻元素丰度估算出的重子密度约只占宇宙总能量密度的大约5％。

3）大尺度结构

要让宇宙形成星系及星系团等大尺度结构，我们就需要宇宙中的物质能在极小的随机涨落下在一些地方率先聚集起来，这些聚集起来的物质通过引力吸引周围更多的物质聚集。普通物质在早期宇宙的行为有点像热辐射，它们四处流动，来不及聚集。因此我们需要不同于普通物质的暗物质。暗物质具有冷的特点，所谓冷直观来说是它们容易聚集在一起不会乱跑。而聚集起来的暗物质就会作为种子吸引更多周围的物质从而最终形成星系，进而形成星系团。由此估算出的总物质占总能量的大约30%。

4）最后微波背景辐射（CMB,cosmic microwave background）

所谓微波背景辐射是指在宇宙较早期，随着温度的下降光子跟电子的相互作用变慢，以至于最后不再相互作用（脱耦，decoupling），从此光子成为自由“气体”在宇宙中穿梭，宇宙变得透明。到如今，这些退耦的光子温度已经很低，接近2.7k，但是我们还是探测到了它们。如下图所示 (经知友提醒，下图是辐射相对平均值的涨落而不是辐射本身数值的热图)：

宇宙微波背景辐射承载着退耦时物质的印记并保存下来了，暗物质与普通物质以不同的方式把它们的信息刻在了微波背景辐射里。微波背景辐射整体上看起来是各向同性的，各向同性是指各个方向看起来都一样，但是还是存在微小的各向异性，通过观测微波背景辐射的这些各向异性，我们也得出了暗物质存在的证据。

2，暗能量

1）暗能量最可信的证据来自于1998年天文学家观测到宇宙加速膨胀。 普通能量（物质和暗物质）具有正压强，这意味着你挤压它的时候，它会有抵触情绪，同样地你吹胀它的时候，它也会有抵触情绪，从而会使得宇宙膨胀越来越慢。与具有正压强的能量相反，负压强的能量意味着你越吹胀它它越兴奋，从而让宇宙膨胀的越来越快。所以宇宙加速膨胀就需要这样一种具有负压强的能量。

2）微波背景辐射的均匀性和各向同性的分析显示宇宙非常接近一个空间平直的宇宙，而这个事实能让我们估算宇宙总能量密度。除去估算出来的30%的物质，那么剩下的70%就属于暗能量了。
最主流的暗能量候选者应当是宇宙学常数，宇宙学常数是当年爱因斯坦为了解释静态宇宙而提出来的，就是给爱因斯坦场方程添加的一个常数项。它恰好扮演着一种负压的能量形式。但是宇宙学常数本身存在很多问题，下面会单独列出来。其实如果我们相信暗能量就是宇宙学常数，那么有问题的并不是暗能量而是宇宙学常数。除了宇宙学常数，还存在很多暗能量唯象模型，比如动力学暗能量，全息暗能量等等。

3，层级问题(hierachy problem)
层级问题说的是引力为什么比电弱相互作用弱弱弱这么多？但这只是最naive的问法。因为引力为什么不能比电弱相互作用弱这么多呢。

更技术性的提法涉及到一个叫希格斯场的东西。它是一个给世间万物提供质量的场，所以它被称为上帝之场（平时说法是希格斯粒子是上帝粒子，我这里擅作主张了）。希格斯场赋予其它粒子的质量和希格斯粒子自身的质量成正比且都处在电弱能标，大约为100GeV（质量的一种单位）。问题出在希格斯场它会受到量子涨落的影响，从而它的质量也会受到量子涨落的修正。这个修正的大小取决于物理的最高能标。如果引力所代表的能标(普朗克能标， GeV)代表着物理基础能标的话，那么希格斯场的质量就会收到正比于普朗克能标的量子修正，而普朗克能标是电弱能标的 倍！所以希格斯场应当获得相当于它自身质量 倍的量子修正！

当然我们可以认为在这个量子修正之前希格斯本身就有一个很大的质量，量子修正把大的修正抵消了，从而留下的正好是一个小得多的质量。但这样就会有微调的问题。就是说，你必须把量子修正之前的质量进行微调(精度是 )。而在粒子物理中一个无量纲的数值如果没有特殊的原因它应该是量级为1的。一个远小于1的无量纲的数通常需要有背后的某种对称性对它进行保护，这就是一开始超对称最重要的动机之一。在自然界中，粒子被分为玻色子和费米子两大类，玻色子喜欢扎堆成群，而费米子喜欢独自一人。超对称就是玻色子与费米子之间的对称性。由于希格斯场受到玻色子的修正与费米子的修正互为相反，如果玻色子与费米子存在对称性，那么对希格斯质量的量子修正就会精确抵消，从而保护了希格斯免受量子涨落的影响。随着实验数据的积累，最小超对称模型（MSSM, minimal supersymmetry model）生存状态已经很严峻了，所以层级问题又变得突出起来。

4，宇宙学常数问题 (cosmological constant problem)
宇宙学常数是暗能量的一种可能性，所以本来可以把这个问题归结到暗能量。但由于问题的属性不一样，所以单列出来。

1） 首先第一个问题是宇宙学常数怎么来的？第一想到的自然是量子真空能，可是理论算出来的真空能比测到的宇宙学常数大120个数量级（ 倍！！！），这是一个更严重得多的微调疑难。

2）另一个问题是，因为宇宙学常数是一个常数，而物质的密度随着宇宙膨胀会迅速下降，所以宇宙很大概率处在一个要么完全由物质主导要么完全由暗能量主导的状态。但是当今，二者之比为量级1，这段窗口期与整个宇宙历史比起来是极其短的，所以为什么宇宙恰好处在这么个特殊时期。这被称为巧合性疑难。实际上，前面提到的微调疑难也可以看成是巧合性疑难。关于巧合性疑难，人们总是可以通过人择原理来解释。就是说，如果不是这样，那么宇宙就不存在人类生存的条件，我们也就不能存在，更不能站在这里提这种问题。但是如此一来，人择原理就过于泛滥了，这显然是一种消极的探索方式。

5，黑洞信息疑难

黑洞是一个只能进不能出的天体。它看起来被一个叫黑洞视界的东西罩住了，里面的东西我们都看不到。这个特点也使得描述它比较简单，只需要几个参数就行。经典的黑洞只吸收东西不吐出东西的纯洁的特点，不幸地被量子力学的咸猪手给破坏了。在量子力学的情况，黑洞会吐出一种叫做霍金辐射的“气体”。从而使得黑洞变小，并且最终蒸发。

普通的星体与黑洞很不一样，它要复杂许多，要描述一个星体需要大量的参数，它的形状，它所含的物质等等，星体上的哪个地方有一个窟窿你都要需要用参数去描述。这样来看，要描述一个星体需要输入多得多的参数，我们也可以理解为一个星体携带了很多信息。

黑洞信息疑难则源于黑洞蒸发。让我们考虑如下一个过程，一个星体坍缩成黑洞再通过霍金辐射最后蒸发掉了。星体是携带大量信息的，当它坍缩成黑洞之后，我们可以认为信息藏在黑洞视界里面。但是一旦黑洞蒸发掉了，最后我们得到的是纯热辐射，而纯热辐射是随机的，它不携带信息（或者很少）。因此坍缩之前的星体的大量信息就丢失了，信息的丢失会破坏量子力学的幺正演化。所以这是一个很严重的问题。

关于更详细的介绍， 参见我的另一个回答

6, 暴涨

暴涨是发生在宇宙极极早期的宇宙指数膨胀的事件。如下图左端白色部分

这个阶段会抹匀宇宙从而解释宇宙大尺度上看起来如此均匀和各向同性。但是关于暴涨到底怎么发生，由什么引发(通常假设一个称为暴涨场的东西)并没有定论。

7，正反物质不对称问题

物质本身又存在正物质与反物质两种形式，这里请勿与暗物质相混淆，暗物质也有其相对应的反物质。反物质具有正物质相反的电荷，正反物质碰在一起会湮灭成能量。如果你跟一个由反物质组成的自己握手（其实不一定是自己啦！只要正反物质互相对应，跟谁握手都行。），你们就会湮灭掉

我们有理由相信在暴涨之后，暴涨场释放了大量的能量，而这些能量将会转变成物质和反物质。但是为什么我们的宇宙几乎都是正物质而几乎没有反物质呢？这就是正反物质不对称问题。你可能会想，我们不是知道正反物质在一起会湮灭成能量吗？那么只有正物质的世界不是正常的么，反物质都被湮灭掉了啊。是的，但我们仍然有理由要考虑它。就算生成的正反物质产生之后都会碰到一起然后湮灭掉，我们也要考虑，为什么湮灭之后，还多出这么多正物质，这说明在产生的时候产生正物质的可能性比反物质的可能性要高，那么是什么破坏了正反物质产生的这种对称性的呢？

相应解释它的理论称为重子生成(baryogenesis)。这里的重子自然指正物质的重子. 重子生成最主流的两种方式是轻子生成(leptogenesis)和电弱重子生成（electroweak baryogenesis）。此处不展开讨论了。

8，中微子震荡。

标准模型中存在三种中微子，电子中微子、 缪子中微子、陶子中微子.。它们称为不同味道的中微子。 标准模型中中微子没有质量，不同味道的中微子不能相互转化。然而实验发现，不同味道的中微子可以相互转化，存在震荡，如下图所示

这说明中微子存在质量。这是因为中微子的传播依赖于其质量，而一个确定质量的中微子未必是确定味道的中微子，同样一个确定味道的中微子未必是确定质量的中微子。比如，一个电子中微子是一个确定味道的中微子，它是通过特定方式不同质量的中微子的混合，而缪子中微子则是另一种混合方式。这些混合方式在中微子运动过程中会被打乱重组，从而实现不同味道的中微子相互转化。

然而要解释中微子的质量比较困难，首先为什么它如此之小，如今已有多个跷跷板机制（seesaw mechanism），它们假定存在很重的右手中微子，而这个右手中微子越重，那么标准模型中的左手中微子就会越轻，这就是跷跷板的含义。第二，质量出现的方式也不确定。一个简单粗暴的质量项是违反局域规范对称性的(规范对称性是一种被认为自然通用的对称性，说它是神之对称也不过分。它就是杨振宁和Mills提出来的)，所以我们需要某种方式机制让它们获得质量，可以跟粒子物理标准模型一样，也可以是其它方式，究竟是怎样的方式，目前还不确定。

9，强CP违反问题(Strong CP problem)

我们的质子中子由夸克构成，而描述夸克的理论叫做量子色动力学（QCD， Quantum chromodynamics）。这些夸克具有被称之为色的荷，分别被叫做为红，绿，蓝。你们可以想象成赋予一个夸克的色就相当于给一个夸克在某个三维的空间指定一个方向。 但这里的空间并不是我们生活中所在的空间，它被称为夸克的色空间。夸克在这个色空间里可以转动，当我们对所有夸克作转动的时候，我们的物理世界不会发生改变，数学家把这种不改变某个性质的操作称之为对称操作。就像如果摆在你面前有一个球，那么你可以做一些转动，这个球也会保持不变，因此这个球也具有对称性。数学家用群来描述对称。QCD在色空间里所具有的对称群有一个让人讨厌的名字SU(3)。名字不重要，你只要知道它是色空间里的转动就行啦。

由于SU(3)这个对称性，使得QCD可以存在一个被称为theta真空的基态。关于这个涉及到QCD基态规范场位型的拓扑结构，还和手征反常有关系。你可以脑补如下酷炫图片:

总之，这个theta真空的直接体现是在拉格朗日量（物理学家发明的一种可以描述系统动力学的数学概念）中可以出现一项 ，这里的Ｇ是规范场强。这些名词在这里也不重要，重要的是我们发现了自然界应当存在一个新的参数 ，而 原则上可以取０到2 。但是实验观测到 小于 。这就是强CP违反问题。这里出现的CP也是一种对称性，而上面出现在拉格朗日量的那个 则会破坏这个对称性。这个问题最典型的解释就让 动力学化，意思就是让它不再是一个常数而变成一种动力学的场，这个场就是轴子（axion）场。轴子到现在还没有被观测到！

10，夸克禁闭

自然界所有已知的物质由三大类基本粒子构成：夸克，轻子和传递力的规范玻色子。

我们平时所熟知的原子包含电子以及原子核。而电子就属于轻子。原子核由质子和中子组成，质子和中子则由基本粒子夸克组成。在上一个问题中我们提到描述夸克的理论叫做量子色动力学（QCD）。支持QCD最强的证据是它能给出渐进自由。这是说，在能量很高的时候，夸克之间的强相互作用（强相互作用是四种基本相互作用之一，对应于核力。其它三种分别是引力，电磁力和弱力。）变得很弱以至于最后变成自由态（无相互作用）。

夸克除了可以携带3种不同的色荷，还有6种不同的味（flavor），实际上不同味的夸克可以认为是不同的夸克。既然我们有6种不同的夸克，我们为什么从来没有看到单独的夸克呢。我们所看到的一般都是由夸克组成的束缚态，如质子，中子这一类的重子。而这就构成夸克禁闭问题。

夸克禁闭是说，由QCD描述的强相互作用在低能下只能出现由夸克组成的色单态。这里所谓的色单态主要是说，我们所看到的粒子态必须不带色，而单个夸克是携带特定的色的，所以在低能下我们看不到单个的夸克。夸克禁闭目前为止还是一种猜想，并没有严格的理论证明。

如果更专业一点的话，这里所说的夸克禁闭其实包含三个部分：

1）非阿贝尔Yang-Mills理论存在mass gap。这是说，在非阿贝尔Yang－Mills理论中所有的粒子态都是有质量的。这会解释为什么强相互作用是短程的。这个是千禧年7大数学问题之一，目前尚未解决。

2）色禁闭。即我们只能看到色单态

3）手征对称破缺。这个术语比较专业化，限于篇幅就不作详细解释了。有时间可能会写专门的文章解释。

这十个问题就是我心目中的高能领域最大的几朵乌云。当然，量子引力这样的，我觉得不是乌云吧，只能说是理论家的理想。

其实没解决的问题挺多的，但是不同的人看法不一样，有的人认为只有两朵，有的认为是多云天气..........列一些我知道：

1、宇宙加速膨胀（一说暗能量，但是到底是不是有“暗的”能量，还是其它原因，还不清楚）。

2、星系转速比按照星系质量（光度估计）计算的速度大（即所谓暗物质，但是到底有没有“暗的”物质，还是其它原因，还没有定论。很多实验室在做暗物质的实验，至今没发现）。

3、高温超导无法解释。用于解释低于40K的低温超导现象的CBS理论无法解释高于40K温度的超导现象。我认为这对我们的基本理论提出了很大的挑战，号称“什么都能算”的理论，如果无法解决这种“导电性问题”，说明在电磁力领域我们的理论还存在根本性的缺陷。我觉得还是不要学19世纪末吹牛的好，何况，吹牛的那些人，你们吹的理论没有一个是你们写的。下面的问题同理。

4、中微子质量。 中微子具有质量是从中微子味会振荡推导出来的，严格的说目前仍然是个假说，因为目前未实际测得中微子质量，质量下限现在被不断的刷低。如果低到10^-24我觉得可以考虑中微子无质量了，那意味着整个量子理论要做很大的变革。

5、粒子双电荷问题。 超子具有两个电荷，目前没有恰当的理论能说明为什么，八正道与十重态类似元素周期表，只是列表，电子轨道理论才说明了表为什么是那样。

6、说到周期表，周期表上有两个元素也未有理论能从原理上说明为什么没有稳定同位素，即43号元素与61号元素。自然界中它们没有稳定的同位素。对于超铀元素这是比较好理解的，但是，43号，原子核太轻了。 一种解释是认为受到临近元素稳定性的影响。我没看出来临近元素应该背这个锅，它们自己都不知道自己为什么这么多稳定兄弟，怎么能怪它们呢？这只是将问题转嫁了，变成核子稳定性是否有一个一致的原理性的方程描述（即核结合能方程，能计算多少质子数+中子数是稳定的）？

另，目前预言中的几个人造元素稳定岛并没有发现，幻数理论可能真的是幻术。

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补充：这个问题引起了评论区的争论，但是看起来争论者并不熟悉核物理，只是抱怨我没吹捧现在的理论有多棒。在这个谈“乌云”的问题下面，我是不能那么做的。事实上核物理没解决的问题是非常多的。

I.核结合能目前并没有原理性的方程可计算，只能用经验公式（最轻的氘，氚核都算不了），格点QCD在加上一些经验参数之后可以强算，但是也只能算最轻的氘，氚等轻核了。

II. 核结合能峰值为什么出现在铁核附近（ ）目前也没有恰当的理论能说明为什么。

III. 重核（如铀核）裂变时，大概率（98%+）使产生的两个子核质量比约为1：1.5，这是一个很奇特的现象，因为一般一个物体分裂为两个都是只遵守动量守恒定律，质量分布则应该是正态分布，大概率质量比应为1:1 。目前没有任何理论能够给出有说服力的解释。如果要给我给列的这些问题的重要性排位，这个我放第一位。这里没放第一位，是因为必须照顾部分人的玻璃心。

IV:与上面问题有关的，核裂变增殖系数（造原子弹的核心参数），即裂变后释放的中子平均数，是无法直接从理论精确计算的。目前用的参数都是各个国家花很大的代价实测的。

V：大概前两年，核物理上发现了新的现象，一个衰变过程中发现了能量为17MeV的双光子，这种典型事件被认为是有新粒子产生。没有任何理论能解释这个现象，目前灌水的论文非常多。

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7、轻子3代问题。轻子指电子，μ子，τ子及它们相应的中微子。为什么轻子有3代，且带电轻子质量相差巨大，目前并没有理论能够解释。

8、耦合常数起源问题，不同力的等级问题。 耦合常数起源的问题，是长久以来无法解决的问题。典型的是精细结构常数为什么约等于1/137,这个问题如此之难，以至于有些人发脾气认为它不是一个问题，宇宙诞生就这样，没有为什么。 费曼称其为上帝魔数，包利死在它手里——包利对这个问题念念不忘，临终的病房正好137号。还有个关于包利死后见上帝的笑话，有兴趣可以去查。

还有另一个是引力耦合常数为什么如此之小（是精细结构常数的10^-40量级），早几年曾有引力是熵力之说，一度有认为引力不是基本力，但是并没有人给出这种熵力大小应该在多少量级。

9、引力场中的量子辐射问题。即量子引力问题。有一些半经典理论，但是不论是霍金辐射还是盎鲁效应，目前都还没有证实。实验证实，粒子在引力场中仍然有量子效应（自由落体之中子仍然遵循不确定性），但是无法计算它受引力影响的量子辐射效应。也没有测到，甚至没有人提出靠谱的测量方案，因为不知道量子引力是如何运作的。

10、部分粒子自旋角动量与质量平方成直线关系。早年弦论认为已经解决了它，然而并没有，特别为这个现象创造的解释不能运用于其它粒子，也没有获得其它新的实验证据，说明这种解释是一种凑出来的解释。

11、物质与反物质的不对称问题。很奇怪的，宇宙中99%的物质质量由电子和质子提供，为什么宇宙是以物质为主而不是反物质为主？物质与反物质的生成概率是不是有细微的不同？一些理论认为是这样的，但是那将意味着质子会衰变，但是经过几十年的观测，也没有发现质子会衰变。

-----------有空补充。

继续。

12、CPT对称（电荷C、宇称P、时间反演T联合对称）问题的特殊性，使得其应独立于上面第11的问题。最早发现CP被破坏是在 介子上。比较奇怪的是， 介子有很清晰的、独立的两种一长一短的寿命。这个问题自发现以来，提出了很多理论。一些人认为CP层次上问题已经解决了，CPT联合还没有。

13、重子、核子的反常磁矩问题。轻子的反常磁矩问题利用QED已经较好的解决了，但是对于重子QCD离完全解决这个问题还很远。最常见的两个粒子，质子的磁矩是远远偏离理论预言的，尽管后来进行了修补，但是过程很不清晰。而中子作为中性粒子本应有0磁矩，然而并不是。大多数物理学家更愿意相信这是“多体问题”，而不是夸克模型还存在缺陷。

比较有趣的是，与其它问题类似，我曾见很多人否认这个问题。他们更愿意去等待LHC不确定的新现象，也不愿意承认在这些问题上也许有事可做。显然物理学正在受到资本侵蚀，做反常磁矩我敢打赌一毛资金都拉不到的，因此，这个问题当然不存在了！

14、待续