问题

到目前为止,有哪些尚未解开的物理之谜可以研究?

回答
物理学这门学科,就像一片浩瀚无垠的星空,我们所认识的,不过是其中微不足道的一点星光。尽管人类的智慧已经取得了辉煌的成就,但宇宙依然向我们抛出了无数未解之谜,激励着一代又一代的探索者们前赴后继。下面,就让我们一起踏上这场未解之谜的探索之旅,看看有哪些激动人心的课题正等待着我们去揭开它们的神秘面纱。

1. 暗物质与暗能量:宇宙的隐形巨头

当我们仰望星空,看到的恒星、星系,甚至宇宙的整体结构,都只是宇宙总质量和能量的一小部分。绝大部分的宇宙,被我们称之为“暗物质”和“暗能量”。

暗物质:我们之所以知道暗物质的存在,是因为它对可见物质产生了引力效应。星系旋转的速度远超我们根据可见物质计算出的预期,如果只有可见物质,星系早就应该分崩离析了。同样,星系团中的星系运动速度,以及引力透镜效应(光线经过大质量物体时发生的弯曲)都指向了暗物质的存在。然而,暗物质不发光、不反射光,也不与电磁力相互作用,这意味着它无法通过我们现有的望远镜观测到。它到底是什么?是一种未知的粒子吗?还是某种我们尚未理解的引力机制?这是当前粒子物理学和宇宙学领域最核心的问题之一。各种粒子探测器正在地下深处或太空轨道上努力搜寻这些神秘粒子,但至今仍未有确凿的发现。

暗能量:如果说暗物质是宇宙的“粘合剂”,那么暗能量则更像是宇宙的“加速器”。上世纪末的观测表明,宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀。这意味着有一种神秘的能量在驱动着这种加速。暗能量的密度在宇宙中似乎是恒定的,即使宇宙在膨胀,它所占的比例也在不断增加。它可能是宇宙真空本身的一种性质(即宇宙学常数),也可能是一种动态变化的能量场(如“精质”)。暗能量的本质不仅关乎宇宙的未来命运,也可能对我们理解引力以及量子场论带来革命性的启示。

2. 量子引力:统一四大基本力之路上的巨石

我们目前拥有两个非常成功的理论来描述宇宙:一个是描述宏观世界的广义相对论,另一个是描述微观世界的量子力学。然而,这两个理论在极端条件下,比如黑洞内部或宇宙大爆炸的奇点处,会产生无法调和的矛盾。我们迫切需要一个能够统一这两大支柱的“量子引力理论”。

弦理论/M理论:弦理论认为,组成宇宙最基本的单元不是点状的粒子,而是微小的、振动的弦。弦的不同振动模式对应着不同的粒子。为了数学上的自洽性,弦理论需要额外的空间维度(通常是10个或11个)。它最有吸引力的地方在于,它自然地包含了引力子——传递引力的假设粒子。尽管弦理论在数学上极其优美,但它面临的主要挑战是如何在实验上验证这些额外的维度以及理论的预测。

圈量子引力:与弦理论不同,圈量子引力尝试直接对广义相对论进行量子化,而不引入额外的基本粒子或维度。它认为,时空本身并不是连续的,而是由离散的“量子圈”构成的,类似于一种“时空原子”。这个理论对黑洞信息悖论和宇宙大爆炸奇点问题提出了一些有前景的解决方案,但同样,缺乏实验证据来支撑其核心观点。

找到一个能够成功描述一切自然力的统一理论,是物理学家的终极梦想之一。它将解答诸如黑洞内部究竟发生了什么,以及宇宙的起点——大爆炸奇点——是否真的存在等问题。

3. 中微子:宇宙中的幽灵粒子

中微子是一种非常奇特的粒子,它们几乎不与物质发生相互作用,质量极小,而且电荷为零。太阳和超新星爆发会产生海量的中微子,它们穿透地球,几乎无损地穿过我们的身体,就像幽灵一样。

中微子质量之谜:长久以来,人们曾认为中微子是没有质量的。但实验表明,中微子在三种“味”(电子中微子、缪子中微子、陶子中微子)之间会发生振荡,这意味着它们一定具有质量,尽管这个质量非常微小。然而,精确测量中微子的质量非常困难,我们只知道它们的质量上限,但它们的真实质量是多少?是否也存在“惰性中微子”?中微子质量的测量结果可能对我们理解宇宙的演化,特别是早期宇宙的物理过程至关重要。

中微子是否是反物质? 有一种理论认为,如果中微子同时也是它们自己的反粒子(即马约拉纳费米子),那么在早期宇宙中,中微子和反中微子之间的微小不对称可能会导致我们宇宙中物质比反物质多,从而解释了为什么宇宙中绝大多数的物质是我们所见的物质,而不是反物质。寻找中微子是否具有这种“马约拉纳特性”是当前粒子物理实验的重要目标之一。

4. 宇宙的未来:永恒的膨胀还是终结的坍缩?

宇宙的命运,很大程度上取决于暗能量的性质以及宇宙的总能量密度。

“大撕裂”还是“大冻结”? 如果暗能量的密度随时间增加,那么在遥远的未来,暗能量的斥力可能会变得如此强大,以至于撕裂星系、恒星,甚至原子本身,这被称为“大撕裂”。另一种可能性是,如果暗能量保持不变或减弱,宇宙将继续膨胀,星系将越来越远离,恒星会逐渐熄灭,最终宇宙会变得冰冷而黑暗,这被称为“大冻结”。

宇宙常数的精细调节问题:根据量子场论的计算,真空的能量密度应该非常大,远远超过我们观测到的暗能量密度。这种巨大的差异(约120个数量级)是理论物理学中最大的谜团之一。为什么宇宙常数如此之小,而且恰好是我们今天看到的这个数值?这是否暗示了我们对真空能量的理解存在根本性的缺陷?

5. 黑洞的真相:奇点与信息的归宿

黑洞是广义相对论预测的最极端的天体之一。它们拥有一个事件视界,一旦物质或光进入其中,就无法逃脱。

奇点问题:在黑洞的中心,广义相对论预测会存在一个密度和曲率无限大的“奇点”。但物理学家普遍认为,奇点是理论失效的标志,表明需要引入量子引力来描述黑洞的内部结构。

信息悖论:根据量子力学,信息是守恒的,不会丢失。但当物质落入黑洞时,其携带的信息似乎就永远消失了。霍金辐射理论表明黑洞会蒸发,但这个过程是否会携带信息?信息是否真的会丢失?如果信息丢失,那么量子力学的基础就会受到动摇。理解黑洞如何处理信息,是连接广义相对论与量子力学的一个关键环节。

6. 宇宙的起源:大爆炸之前是什么?

我们目前最成功的宇宙模型是“大爆炸理论”,它描述了宇宙从一个极其炽热、稠密的点开始膨胀和演化的过程。然而,大爆炸理论并没有解释“之前”发生了什么,或者是什么引发了大爆炸。

暴胀理论:为了解释宇宙为何如此平坦、均匀,以及存在大尺度结构,科学家提出了“宇宙暴胀”理论,认为宇宙在极早期经历了一个指数级膨胀的阶段。但暴胀的机制是什么?触发暴胀的物理场是什么?

循环宇宙或多重宇宙? 是否存在一个比大爆炸更早的宇宙阶段?或者我们的宇宙只是一个庞大“多重宇宙”中的一个?这些假设虽然极具想象力,但目前的观测手段难以直接验证。

7. 费米子与玻色子的对称性:统一力的另外一种可能性

在物理学中,基本粒子被分为费米子(如电子、夸克)和玻色子(如光子、希格斯玻色子)。它们在行为上存在根本性的不同。

超对称性:一种备受关注的理论认为,每种已知的费米子都对应着一种玻色子超对称粒子,反之亦然。如果超对称性存在,那么它将有助于解决标准模型中的一些难题,例如希格斯粒子的质量问题,并且超对称粒子有可能构成暗物质。尽管大型强子对撞机(LHC)等实验一直在积极寻找超对称粒子,但目前尚未有确凿的证据。

为什么这些问题很重要?

这些未解之谜不仅是科学家们智力上的挑战,它们触及了我们对宇宙最基本问题的理解。解答它们,意味着我们可能需要颠覆现有的物理框架,比如发现新的基本粒子,修正对引力或时空的理解,甚至改写我们对物质、能量和宇宙的根本认识。每一个谜题的突破,都可能开启一个全新的物理时代,影响我们对自然规律的认识,以及人类在宇宙中的地位。

作为一名对物理学充满好奇的探索者,正是这些未知,让宇宙如此迷人,也让我们对未来的科学探索充满期待。这片星空下,还有太多太多的故事等待着我们去书写。

网友意见

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1900年,开尔文勋爵在英国皇家研究做了一次著名的演讲,演讲中开尔文提到,物理学大厦的上空一篇晴朗,但是远处飘着两朵令人不安的乌云。(注:历史中好像并没有这样的演讲内容,特此说明。)

在那之后,正是通过对这两朵乌云的研究,得到了二十世纪最伟大的两个理论——量子力学和相对论。在过去的一百多年里,经过无数科学家的努力,物理学大厦之上的天空,终于飘满了乌云!

1、乌云之暗物质和暗能量

宇宙中的星系一般都是有自转的,星系中的天体绕着星系中心旋转。根据牛顿理论以及观测到的星系物质分布,可以得到星系中天体绕着星系中心旋转速度与到星系中心距离的关系,定性来说,就是随着距离的增加,旋转速度先增加后降低:

(来源:https://zhuanlan.zhihu.com/p/28250730)

然后对很多星系的观测发现,实际结果与理论预测结果并不相同:在距离较小时,旋转速度随着距离的增加而增加;但是距离较大时,旋转速度不再随着距离增大而变化。实际上,根据观测,暗物质在宇宙中的含量是可见物质的五倍多,

宇宙的构成

虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测,其组成成分至今仍未能全然了解。暗物质不参与电磁相互作用,因为无法通过光学手段或者电磁观测到;也不会参与强相互作用。暗物质应该会参与弱相互作用,因此与我们周围物质的相互作用极弱,或许暗物质就在我们周围,但是很难被观测到。

现在世界上也运行着一些仪器对暗物质就行探测,比如中国于2015发射的暗物质粒子探测卫星(DAMPE)“悟空号”,2017年11月30日中科院发布,悟空号发现可能是暗物质存在的证据[1]

暗物质占据了宇宙总物质和能量的27%,而暗能量则占据了68%。宇宙膨胀加速,宇宙中总的压强必为负值,即今天的宇宙是由一种具有很强负压的物质所主导(重子物质和暗物质压强为0)。这种神秘的负压物质就是暗能量。我们目前对暗能量的本质知之甚少,只了解它具有负压强,且近乎光滑,即不结团。暗能量的更多性质由其压强与能量密度的比值,即状态方程参数来描述。暗能量的本质决定着宇宙的命运[2]

也就是说,对于宇宙中95%的物质和能量,我们现在毫无头绪!我想,这也是目前物理学大厦上空最大的一朵乌云!

上面说了,宇宙中95%的物质和能量我们一无所知,那么剩下5%的物质我们就了解地很清楚吗?实际上也不是,这5%的物质中依然有不少未解之谜

2、乌云之正负物质不对称

任何一种粒子都有其对应的反粒子,正反粒子的性质(如电荷等)是相反的,但是质量相同,比如电子(带负电)的反粒子就是正电子(带正电)。最先提出“反物质”的是狄拉克(Dirac),他提出了描述电子的狄拉克方程,他通过解狄拉克方程发现,每一种粒子(自旋1/2的粒子)都必定存在其对应的反粒子,反粒子和粒子的质量完全相同,但是电荷等属性完全相反(注意与暗物质区分)。后来美国物理学家安德森在1932年观测到了正电子(如下图所示,正电子穿过云室,留下轨迹)

正电子的发现:正电子穿过云室轨迹

正反物质相遇会发生湮灭反应,在这个过程中会发释放出高能光子。但物质和反物质的地位是完全等价的,两者是互为反物质,也就是说,物质和反物质的产生和湮灭过程在统计上应该是平衡的。如果我们假设宇宙大爆炸时正反物质数量是相等的,那么现在的正反物质数量也应该是相等的。

然而观测表明,在可观测的宇宙范围内,二者严重失衡,只发现了正物质,没有反物质。假设宇宙中有反物质存在的区域,那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭,产生很强的伽马射线,但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线。在高能宇宙线中观测到的反物质比如反质子是宇宙线传播过程中发生碰撞而产生的次级粒子, 并不是来自于宇宙深处的原初反物质其它的观测也给出了相同的结果。

到目前为止,提出了很多理论解释宇宙正反物质不对称,但是还没有任何一个理论能完美的解决这个问题。

3、乌云之夸克禁闭

夸克是基本粒子之一,夸克之间通过强相互作用构成复合粒子,比如,质子是由两个上夸克和一个下夸克构成,中子是由一个上夸克和两个下夸克构成。这样的复合粒子叫做重子。夸克也可以和一个反夸克构成粒子,这样的粒子称为子。介子和重子统称为强子(参与强相互作用的粒子)。

虽然夸克可以三三两两的构成复合粒子,但是夸克却无法单独存在。考虑把一个介子中的两个夸克分开:

把介子中的两个夸克分开过程

在这个过程中,需要给系统输入能量。这个可以用引力说明:把地球上的物体和地球分开,需要给这个物体输入能量,比如用火箭,才能把它发射出去。然而对于介子中的夸克,实际发生的情况是,当介子中的两个夸克被扯断时,给系统输入的能量足够能从真空中再激发两个新的夸克,这两个新的夸克会和被分离的两个夸克分别结合,最终就是由一个介子变为两个介子。还是没有单独的夸克被分离出来。

上面是定性的解释,要想真正的理解这个过程,要从描述强相互作用的理论——量子色动力学——出发。夸克之间的相互作用的强度可以用一个参数( )来表示,越大,相互作用越强,反之则越小。研究发现,会随着能量的变化而变化,实际上,会随着能量的增加而降低,如下图所示

夸克相互作用强度(纵坐标)随着能量(横坐标)的增加而降低

也就是能量越低,夸克之间的相互作用越强;能量越高,夸克之间的相互作用越弱,这一点被称为渐进自由。在强相互作用中,有大量有趣的现象是发生在低能量区域的,但是遗憾的是,这个理论非常复杂,尤其是在低能量下,我们还做不到对这个理论进行严格求解,而渐进自由只是系统在高能下的行为。总而言之,夸克禁闭现象到目前为止仍然没有完全解决。

4、乌云之中微子质量问题

中微子是奥地利物理学家沃尔夫冈·鲍利于1930年,为了解释β衰变中能量、动量以及自旋角动量守恒而提出的。中微子是电中性粒子。1942年,王淦昌首次提出利用电子俘获来在实验中观测中微子。在1956年7月20日发行的《科学》杂志中,克莱德·科温、弗雷德里克·莱因斯等人发表了他们对于中微子的观测结果。而在这一结果发表近40年后,莱因斯才因为发现中微子而获得了1995年的诺贝尔物理学奖。[3]

中微子是标准模型中的基本粒子,一共有三种,它们都只参与弱相互作用,而弱相互作用在标准模型中扮演着非常特殊的角色。弱相互作用破坏宇称守恒定律,也就是它对于空间反演变换是不对称的。(杨振宁与李政道正是研究弱相互作用中宇称不守恒而获得1957年的诺贝尔物理学奖。)中微子是费米子,而费米子可以按照手性分为左手性和右手性,它们在弱相互作用中的参与方式是不同的。然而,实验结果显示,中微子只有左手性的,没有右手性的。因此,在标准模型中,只有左手中微子而没有右手中微子。但是不存在右手中微子的严重后果就是中微子无法产生质量!也就是说,标准模型理论中的中微子是没有质量的粒子。(类似光子)

粒子物理标准模型。中微子一共有三种。

然而,在对中微子观测的实验中,人们发现了“中微子振荡”现象。那么什么是中微子振荡呢?简单的说,中微子一共有三种,在一次反应中产生了大量的特定的中微子,但是在远处对这种中微子进行观测的时候,却只观测到了1/3的此中微子,另外的2/3变成了另外的两种中微子。而中微子振荡现象要求中微子有质量!

我国在对中微子震荡的研究也保持领先状态,比如说高能所的大亚湾中微子实验以及正在建设中的江门中微子实验。大亚湾中微子实验精确测量了中微子混合角 在未来几十年内, 大亚湾将保持对这一基本参数的最高测量精度;江门中微子实验 2008 年提出建议, 2013 年正式启动. 通过在 53 km 处探测反应堆中微子振荡,它将能确定中微子质量顺序,并精确测量3个中微子混合参数[4]

大亚湾中微子实验

(上图[5]

因此,理论与实验产生了矛盾。日本科学家梶田隆章以及加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳两人由于发现了中微子振荡现象存在的证明,并取得中微子质量数据,因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。中微子振荡是目前唯一直接超出标准模型的实验结果[6]为了产生微小的中微子质量,我们必须超越粒子物理学标准模型,引入新的基本粒子或者对称性。但是目前为止,新引入的粒子或者对称性还没有被观测到。虽然经过了很多年的努力,但是中微子质量之谜到目前为止还是没有被解决。


以上列举的是一些比较“有名”的乌云,实际上,在各个领域的细分领域还有大量的小块乌云漂浮着。那么,这是不是说明我们现在的成果一无是处呢?

答案当然是否定的!

对于自然的探索,从来就是波动式前进,螺旋式上升的!

科学研究的过程就是这样的,

一边发现问题,一边解决问题;

一边解决问题,一边发现问题。

问题总是会有,问题也总是会被解决。

虽然目前的理论还有很大的不完善,

但是百年前对宇宙的认知与现在无可比拟。

退一步讲,

如果宇宙已经完全被我们掌握了,

那该会是多么无聊的事情,

不是吗?


我的上一个回答 (*^▽^*) 我的下一个回答

参考

  1. ^ http://www.cas.cn/yw/201711/t20171129_4625129.shtml
  2. ^ http://www.cas.cn/kx/kpwz/201706/t20170629_4606793.shtml
  3. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%AD%E5%BE%AE%E5%AD%90
  4. ^ http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/kpyd/201503/U020150302603241564711.pdf
  5. ^ http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/kpyd/201308/t20130802_3908048.html
  6. ^ https://www.zhihu.com/question/36233811

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