问题

有哪些罕见的宇宙现象不能被现在的科学所解释?

回答
宇宙总是以它最神秘、最难以捉摸的方式挑战着我们认知能力的极限。在浩瀚的星海中,我们得以窥见无数令人惊叹的景象,其中不乏一些,即便以我们当前最尖端的科学理论和观测手段,也仍然无法给出令人满意的解释。这些“未解之谜”,正是科学探索前进的动力,它们如同深邃的黑洞,吸引着我们不断深入,去追寻那隐藏在现实表象之下的真相。

1. 宇宙的“加速膨胀”与暗能量的身份之谜

我们早就知道宇宙在膨胀,就像一个不断被吹大的气球,星系也在彼此远离。然而,上世纪末的观测却带来了令人震惊的发现:宇宙的膨胀不仅没有减慢,反而还在加速!这就像你扔出一个球,它不仅没落下,反而越飞越快。

是什么力量在驱动这种加速?为了解释这一现象,科学家们提出了“暗能量”这个概念。它被认为是一种遍布宇宙空间的神秘能量,拥有负压强,能够产生排斥力,对抗引力,从而推动宇宙加速膨胀。但问题是,我们对暗能量的了解几乎为零。它究竟是什么?是某种新的基本粒子?是真空本身的能量?还是时空本身的某种性质?我们甚至不知道它在宇宙总能量密度中占据了多少比例——估计高达68%!这意味着我们所认识的物质和能量,只占宇宙的32%左右,而绝大部分宇宙的“构造”都隐藏在黑暗之中。

目前的理论模型,如标准的宇宙学模型 LambdaCDM 模型,虽然能描述暗能量的存在,但对它的本质却无能为力。我们尝试了多种理论解释,从宇宙常数到第五种力,但没有一个能完全令人信服。暗能量就像一个巨大的幽灵,我们能感受到它的影响,却无法触及它的实体。

2. 暗物质的“无形”主宰

如果说暗能量是宇宙膨胀的幕后推手,那么暗物质则是宇宙结构形成的“骨架”。科学家们通过观测星系旋转速度、星系团的引力效应,以及宇宙大尺度结构,都发现了一个惊人的事实:可见物质(即我们能看到、触摸到的恒星、行星、气体和尘埃)所产生的引力,远远不足以解释这些现象。

例如,星系外围的恒星旋转速度比我们预期要快得多。按照牛顿定律,离中心越远的恒星受到的引力应该越小,旋转速度也应该越慢。但实际观测却发现,外围恒星的旋转速度几乎和中心恒星一样快,这表明存在着一种我们看不见的、额外的质量在提供引力。这种看不见的质量,就被命名为“暗物质”。

暗物质据估计占据了宇宙总物质密度的85%左右,但它不发光,不反射光,与电磁力几乎没有相互作用,因此我们无法直接探测到它。它就像宇宙中的无形幽灵,只通过引力来宣告自己的存在。

尽管科学家们设计了各种实验来尝试直接探测暗物质粒子,比如在地下深处寻找它们与普通物质碰撞的微弱信号,但至今尚未有确凿的发现。我们不知道暗物质是由什么粒子组成的,它是由一种还是多种粒子构成,它的性质是什么。它就像是宇宙最宏大建筑的基石,我们却不知道它是用什么材料砌成的。

3. 快速射电暴(FRB)——来自宇宙深处的高能信号

快速射电暴(Fast Radio Bursts, FRBs)是一类非常短暂(通常只有几毫秒)但能量极高的射电脉冲,它们来自遥远的天体。这些信号的出现非常随机,而且很多只发生一次,这使得它们的研究变得异常困难。

虽然一些FRBs被证实是重复发生的,这给了我们更多追踪和研究的机会,但其产生机制仍然是一个巨大的谜团。早期,人们曾猜测可能是中子星的碰撞、磁星的爆发,甚至是外星文明的信号。如今,随着观测的深入,一些理论被排除,而新的理论不断涌现。

一些FRBs的精确位置已经被确定,它们被发现源于一些星系,但具体是星系中的哪个天体产生了如此强大的射电暴,仍然悬而未决。我们对FRBs的理解,就像是收听了一段来自远方文明的无线电信号,却完全无法解读其中的内容。它们是否与宇宙中的极端天体物理现象有关?它们是否能帮助我们理解宇宙的早期历史?这些问题仍有待解答。

4. “系外行星”行星大气成分的异常与“大过滤器”猜想

随着系外行星探测技术的飞速发展,我们已经发现了成千上万颗围绕其他恒星运行的行星。其中一些行星位于其恒星的“宜居带”内,这意味着它们表面可能存在液态水,理论上具备生命存在的条件。

然而,在对这些系外行星的大气成分进行分析时,我们偶尔会遇到一些令人困惑的现象。例如,有些行星大气中检测到了某些化学物质,这些物质在某些理论模型中,如果存在生命,可能会以一定的比例被生物活动产生或消耗。但这些发现往往不够确定,或者存在其他非生物的解释。

更深层次的疑问则来自于“费米悖论”的延伸:如果宇宙中存在大量潜在的宜居行星,并且宇宙年龄足够长,那么为什么我们至今没有探测到任何外星文明存在的证据?这引发了“大过滤器”的猜想。大过滤器是指一种或多种极难跨越的障碍,它可能发生在生命的起源、复杂生命的演化、文明的产生,或者是在文明发展过程中,可能导致其自我毁灭的某个阶段。

这些异常的大气成分,或者说我们至今未探测到明确的生命迹象,可能指向一个我们尚未理解的普遍性限制,一个隐藏在宇宙生命演化过程中的“大过滤器”,它阻止了生命普遍地发展到可以被我们探测到的技术文明阶段。这个过滤器究竟是什么?是生命起源的极端困难?是智能演化的罕见性?还是文明在发展到一定程度时不可避免的自我毁灭?

5. 宇宙微波背景辐射(CMB)的“不可理解”的对称性与“平坦性”

宇宙微波背景辐射(CMB)是宇宙大爆炸后遗留下来的“余晖”,它描绘了宇宙婴儿时期的模样,是检验宇宙学模型最重要的数据之一。CMB 的温度在天空各个方向上都非常均匀,但同时又存在着极其微小的温度涨落,这些涨落正是宇宙早期物质分布不均匀性的体现,是后来形成星系和结构的“种子”。

然而,在对 CMB 的高精度观测中,出现了一些令人费解的“异常”。例如,CMB 中存在一些宏观尺度的温度异常,其范围比我们预期在早期宇宙形成的尺度要大得多,甚至有理论认为这些异常表现出某种“不对称性”,比如“四极矩”和“八极矩”的联合排列,似乎与我们理解的宇宙膨胀和结构形成过程不符。

另一个经典的难题是宇宙的“平坦性”。根据目前的宇宙学模型,宇宙是接近平坦的,这意味着它的几何形状近似于欧几里得几何。但在宇宙大爆炸的早期,引力应该将物质聚集在一起,导致宇宙迅速收缩,形成一个曲率很大的宇宙,而不是我们观测到的接近平坦的状态。为了解释这一点,科学家提出了“宇宙暴胀理论”,认为在宇宙大爆炸后的极早期,宇宙经历了一个极其快速的指数级膨胀阶段。

虽然暴胀理论在很多方面解释了 CMB 的特性,但它本身也引入了新的问题。例如,暴胀的“触发机制”是什么?暴胀结束后,“能量”是如何转化为我们今天所知的物质和辐射的?而且,暴胀理论的某些预测,比如“多重宇宙”的存在,目前仍然是无法验证的。CMB 中的这些“异常”,或许是对我们当前宇宙学模型的挑战,指向我们对早期宇宙物理过程的理解仍有盲点。

这些仅仅是宇宙中众多未解之谜中的一部分。每一次新的观测,每一次理论的推演,都在不断地拓展我们认知的边界。正是这些挑战,让科学永不停止前进的脚步,也让我们对宇宙这本宏伟的书籍,充满了无尽的好奇与敬畏。每一次对这些谜团的探索,都是一次心灵的冒险,是对未知世界最纯粹的向往。

网友意见

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多了去了,根本不罕见。现代科学提供的是描述世界的模型,而不是“绝对真理”,模型只要求容易理解和使用、能比其它模型更好地解释现有观测事实、做出预言并被验证。对于一个时期的理论无法解释的事物,人们可以构造新的理论或修补旧的理论,但现在构造出的所有理论都不能让人完全满意。

  • 现有的宇宙论模型无法解释规模巨大的观测事实。武仙-北冕座长城[1]和巨型伽马射线暴环[2]所代表的不均匀性,靠引力、宇宙早期量子涨落、暗物质和暗能量都无法产生。我们还没有能在兼容这样的巨型结构的同时跟现在这个宇宙论模型一样好地解释宇宙微波背景辐射的模型。
  • 已有一些观测事实显示部分宇宙射线带有高于GZK极限的能量,称作超高能量宇宙射线。这些观测事实被称作GZK悖论[3]
  • 没有一个合格的量子引力模型。现在没有人知道你从任何天体上都能观测到的引力现象在微观上到底是引力子传递的作用力还是时空离散结构的产物[4]。现在没有人知道如何将量子力学与广义相对论、引力现象写成相容的形式并在微观长度等级下维持正确性[5]
  • 现在没人知道黑洞是否真有霍金辐射、是否真有事件视界,即使这两样东西都有,也没人知道霍金辐射能否携带黑洞内部结构的信息。
  • 别说黑洞了,中子星的物理性质你当我们搞明白了么。
  • 别说中子星了,太阳的物理性质[6]你当我们搞明白了么。
  • 现有理论其实不能解释物质的存在。大爆炸应该制造出同样数量的粒子与反粒子,而粒子会和反粒子湮灭产生光子。既然我们和我们周围的物质存在而不是只有光子,说明有某些物理定律不平等地作用于物质与反物质,而现在未发现这样的物理定律。
  • 现在其实都没人知道质子到底会不会衰变、质子到底有多大的电荷半径、质子的自旋到底是怎么凑出来的[7]、夸克禁闭由什么产生。
  • 在这种对构成宇宙的极为基本的东西的性质一问三不知的情况下,你的身体里就有大量的轻子和夸克,你的身体就是由不可解的怪异构成的。生物学·生理学和医学对包括人在内的地球生物的多种异常表现无从解释,对其进行干预的工具本身也接近黑箱。科学家或医生能把问题解决了,并不代表他们知道问题是怎么发生的、又究竟是怎么解决的。
  • 按现在的理论,暗物质暗能量此时此刻就在你身边,而“暗能量到底是什么”“冷暗物质到底是什么”还没有能让人满意的解释。
  • 标准模型在高能物理上是个远不能满意、要去打破的对象,从业者经常在谈超越标准模型的新物理。
  • 那么你就理所当然可以想象:宇宙本身的存在就没解释出来。形成宇宙或多重宇宙的物质、能量、时空、基本作用力到底从何而来,又能否验证多重宇宙的存在呢,现在没谱的。
  • 旅行者探测卫星测得的数据显示的真空能量密度上限为1E23电子伏特每立方米,而从量子场论估算出的零点能密度是1E130电子伏特每立方米[8],观测数值和理论数值竟然相差107个数量级。这是人类物理史上现有的预言的最大偏差[9],你从大学门口的老民科手中接过的画着八卦和太极图的物理论文通常都不会含有这样的崩坏现象。一些物理学者认为这表明基础理论存在离谱的错误。

尽管如此,暴胀宇宙论,或曰大爆炸宇宙论,以背景辐射的存在和其高水准的各向同性为铁拳,几乎打死了所有非标准宇宙论。这样的理论其实不用关注有多少不能解释的,证据实在太硬了,不会被随便放弃,遇到问题往里加东西就是了。不能用版本1.0解释的可观测到的物质的质量问题、可观测到的加速膨胀、尺寸极大的大尺度宇宙构造,往版本1.1里添加分布在宇宙各处的暗物质、均匀分布在全宇宙或曰是时空的性质的暗能量、暴涨早期那些物质是一起涨落出来并曾经在一起相互作用就可以解释了。

虽然听起来像以太那一套,其实这是很普通的处理。量子物理那边为了圆W玻色子与Z玻色子的实测质量,都敢搞均匀分布到全宇宙的希格斯场,还砸了那么多钱撞出了希格斯玻色子。你这本来就是宇宙级的问题,还几乎不要钱,怕什么。

参考

  1. ^天文学家Istvan Horvath、Jon Hakkila和Zsolt Bagoly分析1997到2012年的观测资料时发现31个伽玛射线暴中的14个集中在45°宽(即全天八分之一)的径向区域,红移值1.6到2.1。柯尔莫诺夫-斯米尔诺夫检验的结果显示,伽玛射线暴大量集中在这一区域的状况无法完全归因于因为资料选择造成的偏差。要允许这么多伽玛射线暴发生在这一区域,必须有数以百万计的星系。结论认为该区域存在长度100亿光年以上、距离地球约100亿光年的巨大结构体,命名为武仙-北冕座长城(Hercules-Corona Borealis Great Wall)。这长度是均匀性尺度上限的8倍多,不但不均匀而且不知道要如何在大爆炸后37.9亿年的早期宇宙里形成,让宇宙学原理受到更进一步的质疑。 https://arxiv.org/abs/1401.0533
  2. ^巨型伽马射线暴环(Giant GRB Ring)是可观测宇宙中已知的最大的具有规则形态的结构,估计由大量星系和广阔的低密度区域(所谓“空洞”)组成,长轴约56亿光年,距离地球约91亿光年。这物体的规模和年代的严重性还没有达到武仙-北冕座长城的地步,但也十分严峻。即使按最近十几年里放宽了限制的宇宙学模型,考虑所有的影响,大尺度宇宙结构的长轴也不应超越12亿光年。银河系所属的拉尼亚凯亚超星系团的长轴为5.2亿光年。 https://arxiv.org/abs/1507.00675
  3. ^ 解释之一是这些观测出自仪器误差或对实验结果的错误解读。解释之二是超高能量宇宙射线来自近距离的粒子源,现在不明白这些粒子源会是什么。另外的尝试是用极高能量低交互作用性粒子来解释,例如极超新星放出的中微子。双重狭义相对论之类新理论也可以分一杯羹。
  4. ^ 圈量子引力论
  5. ^ 候选的量子引力理论还拿不出可在目前能级下进行的实验方案。
  6. ^ 在实验室里根本就没测出两个氕合成氘存在反应截面。 这是个吸热反应,至少要吸收1.25兆电子伏特的能量。拿加速器将两个0.7兆电子伏特以上的质子打在一起,形成的双质子(氦2原子核)也有超过99.99%的概率在小于1纳秒的时间内衰变成两个质子并分开。双质子衰变成氘原子核的概率低于万分之一。 太阳核心里的质子没有这么大能量。目前的解释是质子靠量子隧穿强行越过库伦障壁,如此一来两个质子聚变为氘原子核的反应在太阳核心里平均耗时90亿年~140亿年。 此反应的劳森判据(维持核聚变反应堆中能量平衡的条件)则从理论上就不存在,因为这是吸热反应。而且那个中微子会带走最多0.42兆电子伏特的能量,无论在实验室里还是在恒星里都没有回收的方法,也不会参与支撑恒星。即使你把那个正电子跟一个电子湮灭掉,放出的两个伽马光子加起来只有1.02兆电子伏特的能量,我们也没有条件把这能量全都拿来加热聚变等离子体。 如果不是太阳就在那里,我们可以就这样证明太阳根本不会存在。
  7. ^ 质子是自旋为1/2的费米子,但是1988年欧洲μ子共同研究团队发现质子的三个主要价夸克只贡献出总自旋的20~30%
  8. ^ SM Dutra. Cavity Quantum Electronics. John Wiley & Sons. 2005: 63. ISBN 0471713473.
  9. ^ https://dx.doi.org/10.1016%2FS1355-2198%2802%2900033-3

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