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潘多拉之盒
在 1900 年，英國物理學(xué)家開爾文勛爵得意地聲明道：" 在物理上沒什么沒被發(fā)現(xiàn)的重大東西了。剩下的一點未知事物也很容易精確地觀測。" 但是在接下來的三十年中，量子力學(xué)、愛因斯坦的相對論已經(jīng)顛覆了這個結(jié)論。今天，沒有物理學(xué)家敢斷言我們對物理和宇宙的認(rèn)識 " 接近完成 "。相反，每一個新的發(fā)現(xiàn)似乎又打開了又一個 " 潘多拉之盒 " ——噴涌出更深更多的物理問題。
這里有我們挑選出來的著名而開放性的物理未解難題。
九、暗能量是什么？
無論天體物理學(xué)家如何推敲數(shù)字，宇宙的的組成模型已經(jīng)不需要再加上什么了。但是，雖然重力在時空中向內(nèi)聚 ( pulling inward ) ，宇宙的構(gòu)造卻不斷向外延伸——越來越快地向外膨脹。為了解釋這一點，天文學(xué)家提出了一個看不見的介質(zhì)通過推開時空來抵消掉重力的影響，這東西就被叫做 " 暗能量 "。在大多廣為接受的暗能量模型中，暗能量是一個 " 宇宙常數(shù) " ——一個空間的固有屬性，擁有 " 負(fù)壓力 " 來把宇宙空間拉開。當(dāng)空間膨脹時，更多地方被騰出來，然后暗能量隨之而入。基于觀測到的擴(kuò)展速度，科學(xué)家們認(rèn)為暗能量總和組成了宇宙 70% 以上的部分。但竟然沒有人知道如何找到它。
八、暗物質(zhì)是什么？
顯然，宇宙中 84% 的物質(zhì)不吸收也不發(fā)射光線。" 暗物質(zhì) "，正如它的名字一樣，無法直接觀測，也沒法間接探測到。暗物質(zhì)的存在是從可見物質(zhì)的重力效應(yīng)、輻射和宇宙結(jié)構(gòu)理論中推導(dǎo)出來的。這個神出鬼沒的物質(zhì)理論上遍布整個星系，而且應(yīng)該是弱相互作用的組成部分。世界上已經(jīng)有幾個尋找 WIMP 的探測器，不過目前還沒成功嗅探出來。
七、熵是怎么回事？
時間不斷向前流逝，因為宇宙的熵 ( 即它的混亂度 ) 只會增加，并且我們沒法扭轉(zhuǎn)這一增加的過程。" 熵總是增加 " 的這一事實涉及這樣的邏輯：混亂的物質(zhì)排列總是比有規(guī)則的排列普遍，而且當(dāng)你改變事物時，它往往會陷入混亂無序 ( # 耳機(jī)線 ) 。但這里的問題是：為什么過去的熵如此之低？換句話說，為什么宇宙在最初是有序的——當(dāng)大量能量被壓擠在狹小的空間中時？
六、平行宇宙存在嗎？
天體物理數(shù)據(jù)表明時空并非彎曲，而可能是 " 平 " 的，因此它會延伸下去。如果是這樣，我們能夠觀測到的地方 ( 即我們認(rèn)為的 " 宇宙 " ) 只是一個無限大的絎縫多元宇宙 ( quilted multiverse ) 中的一塊補(bǔ)丁罷了。與此同時，量子力學(xué)的法則也推定：每個 " 宇宙塊 " ( 總共大概有 10^22^122 個宇宙塊吧 ) 的粒子排列配置擁有可能性上限，所以，相對于無限的 " 補(bǔ)丁式宇宙 "，肯定會有一些微粒排列重復(fù)的宇宙——而且有無限個這樣雷同的平行宇宙 ( 里面有完全相同的你我 ) ，也會有只差了一個粒子位置不一樣的宇宙，和差了兩個粒子的宇宙 …… 到完全不同的宇宙。
這個邏輯有破綻嗎？還是說，這種離奇的結(jié)論的確無誤？這怎么可能？假如正確，我們又會如何證實平行宇宙的存在？
五、為什么物質(zhì)比反物質(zhì)多？
為什么物質(zhì)，比它的電荷相反、自旋方向也相反的雙胞胎——反物質(zhì)粒子的總量更多？反物質(zhì)，根本上是說是 " 物質(zhì)為什么存在 " 的問題。我們假設(shè)，宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)對稱相抵，而且在宇宙大爆炸的那一刻物質(zhì)和反物質(zhì)一起被生產(chǎn)出來了。但是如果這樣的話，兩者不會存活到現(xiàn)在：在那時質(zhì)子和反質(zhì)子就會互相湮滅，電子和正電子彼此抵消，中子和反中子也這樣，——只留下一大堆光子。對于這些東西，我們目前還沒法給出一個令人信服的解釋。
四、宇宙命運如何？
宇宙的命運很大程度上取決于未知值的參數(shù)：Ω ——物質(zhì)和能量在整個宇宙層面上的密度的度量。如果 Ω 大于 1，則時空會封閉在一個巨大的球體中。如果沒有暗能量，這樣的宇宙會停止膨脹然后開始收縮，最后在 " 大緊縮 " 事件中崩潰。 如果宇宙是封閉的，但暗能量真的存在——那么球形宇宙會永遠(yuǎn)膨脹。
另外，如果 Ω 小于 1，則空間的形狀將類似 " 開放的 " 拋物面。這種情況下，它的最終命運是 " 大凍結(jié) " 接著 " 大撕裂 "：首先，宇宙向外加速，撕裂星系和恒星，只剩下冰冷的殘骸物質(zhì)。在宇宙加速度過大時，會發(fā)生之后的事情：加速度大到原子之間的結(jié)合力無法再拘束住自己，所有的物質(zhì)將會分崩離析四處拋散。
如果 Ω=1，宇宙會是平穩(wěn)的，如同所有方向都無窮延伸的平面一樣，沒有暗能量的話這種狀態(tài)會永遠(yuǎn)保持下去，不過會逐漸減速直到停滯。如果暗能量存在并能抵抗擴(kuò)張的速度，宇宙最終會撕裂自己。
Whatever will be, will be。
三、為什么無法精確測定微小粒子？
在電子、光子之類基本粒子的奇特世界中，所有定律都遵循量子力學(xué)。粒子并不像一個小球一樣，而是 " 一陣陣地 " 分布在一個較大區(qū)域中。每個粒子由波函數(shù)，或者概率分布來描述。波函數(shù)描述了它 " 可能的 " 位置、速度和其他特性，但就是沒法得出一個確定值。基本粒子具有這個范圍內(nèi)的屬性。假如你用實驗測定其中一個粒子，你就能得出一個確切位置——因為波函數(shù)坍塌的結(jié)果。 ( 嬰兒量子力學(xué)講座到此結(jié)束 )
但是為什么你測量一個粒子、使得它的波函數(shù)塌陷并產(chǎn)生具體值？這個問題被稱為測不準(zhǔn)問題，看起來十分深奧。但我們可以這樣理解：粒子的存在取決于觀測的結(jié)果。
二、弦理論是正確的嗎？
物理學(xué)家假定所有的基本粒子實際上都是一維的循環(huán) ( loop ) ，或者說 " 串 " ( string ) 。每一個粒子都在不同的頻率上振動，這樣物理解釋起來就容易多了。弦理論讓物理學(xué)家調(diào)和了粒子世界的基本法則，并且使用 " 廣義相對論 " 這一時空理論，來把自然界的四種基本粒子統(tǒng)一到單一的理論框架中。但問題是，弦理論在 11 或 10 維宇宙中才起效，比如：具有三個普通空間、六七個壓縮空間 ( compacted spatial ) 以及一個時間維度——就像一根振動的琴弦一樣——組成的世界。這種空間的尺度大概是一個原子核大小的一萬億分之一到十億分之一那樣的數(shù)量級，目前根本沒有方法來檢測，所以弦理論的正確性不得而知。
一、混亂中蘊(yùn)含著有序嗎？
物理學(xué)家至今無法精確求解出描述流體行為的方程組——流體包括從水到空氣中的所有液體和氣體。事實上我們不知道所謂 Navier-Stokes 方程組是否存在一般解。或者說大概有一種理論能夠解釋所有的流體，也可能流體理論本身一定隱含著不可知的 " 奇點 "。結(jié)果，對于 " 混亂 " 物質(zhì)的法則，人們?nèi)匀凰跎佟Ｎ锢韺W(xué)家和數(shù)學(xué)家都想知道天氣本身是 " 難以預(yù)測 "，還是 " 內(nèi)在的不可預(yù)測 "？難道說這些東西超越了數(shù)學(xué)的范疇，或者只是人們暫時沒有找到合理的數(shù)學(xué)工具而已？
[ 何鳴時 via Livescience ]
原文地址：http://iphone.myzaker.com/l.php?l=541cedb39490cb8150000000
該文章在 2014/9/22 22:13:58 編輯過
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