“我們還沒有弄懂關(guān)于宇宙的一些基本事實?！?/strong>

如果艾薩克·牛頓（Isaac Newton）乘坐時光機來到現(xiàn)代,，他會欣喜地發(fā)現(xiàn)物理學已經(jīng)取得了巨大的進步。幾個世紀前還異常神秘的東西現(xiàn)在只是大學新生物理課上的內(nèi)容,，恒星的構(gòu)成就是一個很好的例子,。

看到大型強子對撞機（LHC）這樣的巨型實驗裝置，牛頓一定會驚得合不攏嘴,。要是知道自己的引力理論被愛因斯坦的理論所取代,，他可能會感到沮喪。量子力學可能會被他視為奇談怪論,，雖然當今的科學家也有同樣的感覺,。

然而，一旦了解最新進展,，他無疑會為現(xiàn)代物理學取得的成就鼓掌歡呼,，無論是在19世紀發(fā)現(xiàn)光的本質(zhì)，在20世紀確定原子的結(jié)構(gòu),，還是在去年發(fā)現(xiàn)引力波,。

盡管如此,，當代科學家承認,，他們并未掌握所有的答案,。“我們還沒有弄懂關(guān)于宇宙的一些基本事實,，”加州大學物理學家,、《我們不知道：未知宇宙指南》合著者丹尼爾·懷特森（Daniel Whiteson）博士說。

以下是當今物理學七大未解之謎,。

1. 物質(zhì)是由什么構(gòu)成的,？

眾所周知，物質(zhì)由原子構(gòu)成,，原子由質(zhì)子,、中子和電子構(gòu)成，質(zhì)子和中子由更小的粒子夸克構(gòu)成,。如果進行更深入的探索,，我們會不會發(fā)現(xiàn)更加基本的粒子？誰也說不準,。

我們確實有了粒子物理標準模型,，它很好地解釋了亞原子粒子之間的相互作用，也被用來預測未知粒子的存在,。上次通過這種方法發(fā)現(xiàn)的粒子是希格斯玻色子,，于2012年被LHC研究人員發(fā)現(xiàn)。

但標準模型并非無所不能,。

“標準模型解釋不了一切，”費米國立加速器實驗室粒子物理學家唐·林肯（Don Lincoln）博士說,，“它解釋不了希格斯玻色子為什么存在,，解釋不了希格斯玻色子的質(zhì)量?！睂嶋H上,，希格斯玻色子的質(zhì)量比人們原先預測的要輕得多。林肯說,，按照以前的理論,，它的質(zhì)量應(yīng)該是“其實際質(zhì)量的1000萬億倍”。

大型強子對撞機的一個粒子探測器

謎題還不止這些,。原子被認為是電中性的（質(zhì)子的正電荷與電子的負電荷互相抵消），但為什么會這樣,？林肯說：“沒人知道,。”

2. 引力為什么如此奇怪,？

對于我們來說,，沒有哪種力比引力更為熟悉,。畢竟，正是引力使我們可以站在地面上,。愛因斯坦的廣義相對論提出了引力的數(shù)學公式,，把引力描述為一個“扭曲”的空間。但引力的強度比其他三種已知的力（電磁力,、弱力和強力）要弱萬億億億億倍,。

一種可能是（目前只是猜測），除了我們?nèi)粘Ｗ⒁獾降娜齻€空間維度以外,，還有隱藏的其他維度,，也許以一種不可能被發(fā)現(xiàn)的方式“卷曲起來”。如果真的存在另外的維度,，并且引力能“泄漏”到那些維度，這可以解釋引力對我們而言為何這么弱,。

“引力可能和其他的力擁有相同的強度,，但由于引力泄漏進入其他不可見的維度，因而被迅速削弱,，”懷特森說,。一些物理學家希望，在LHC進行的實驗會提供其他維度的線索,，但到目前為止還沒有任何發(fā)現(xiàn),。

3. 時間為什么只能單向流動？

自從愛因斯坦提出相對論以來,，物理學家認為空間和時間組成了一種叫做“時空”的四維結(jié)構(gòu)。但空間和時間存在某些根本上的區(qū)別,。在空間中,，我們可以隨心所欲地自由移動。而在時間中,，我們毫無自由可言,。我們只會年齒徒增，不可能返老還童,。我們記得過去,，但不知道未來。和空間不同,，時間似乎只有一個特定的方向,，物理學家稱之為“時間的箭頭”。

一些物理學家猜測,，熱力學第二定律提供了線索,。熱力學第二定律可以表述為一個物理系統(tǒng)的熵（混亂程度）會逐漸增加,。物理學家認為，熵的增加使時間有了方向,。例如,，一個破碎的茶杯比一個完好的茶杯擁有更高的熵。毫無疑問,，破碎的茶杯總是在完好的茶杯之后出現(xiàn),，而不是在之前出現(xiàn)。

熵增加是因為它先前的值較低,，但它為什么一開始很低,？140億年前，當宇宙因大爆炸而誕生時,，宇宙的熵是不是非常低,？

包括加州理工學院教授肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）在內(nèi)的一些物理學家認為，這就是缺失的一環(huán),?！叭绻隳芨嬖V我為什么早期宇宙擁有低熵，我就能解釋其余的部分,，”卡羅爾說,。在懷特森看來，熵理論并不能解釋全貌,。他說：“我認為,，問題的根本在于，時間和空間為什么差別這么大,？”近期的計算機模擬實驗似乎表明,，時間的不對稱性可能源于物理學的基本定律，但這一結(jié)論存在爭議,，時間的終極本質(zhì)仍然是未解之謎,。

4. 反物質(zhì)都去了哪里？

比起現(xiàn)實生活中,，反物質(zhì)在科幻小說里更出名,。在《星際迷航》中，反物質(zhì)和物質(zhì)發(fā)生相互作用,，驅(qū)動曲速引擎,，使聯(lián)邦星艦企業(yè)號以超過光速的速度飛行。曲速引擎純屬虛構(gòu),，但反物質(zhì)是真實存在的,。我們知道，構(gòu)成物質(zhì)的每一種粒子可能都有一種與其電荷相反的相同粒子,。例如,，反質(zhì)子就像質(zhì)子,，但電荷為負。對于帶負電荷的電子來說,，其反粒子就是帶正電荷的正電子,。

物理學家已經(jīng)在實驗室中創(chuàng)造出反物質(zhì)。但在此過程中,，他們也創(chuàng)造出了同等數(shù)量的物質(zhì),。這表明，宇宙大爆炸肯定創(chuàng)造出了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì),。然而,，我們看到的幾乎一切都是由物質(zhì)構(gòu)成，不管是腳下的地面,，還是遙遠的星系,。

到底發(fā)生了什么？為什么物質(zhì)比反物質(zhì)更多,？最有可能的解釋是,，宇宙大爆炸產(chǎn)生的物質(zhì)比反物質(zhì)多了一點點?！霸谟钪娴脑缙跉v史中（大爆炸之后的很短時間內(nèi)），每100億個反物質(zhì)粒子就有100億零一個物質(zhì)粒子,，”林肯說,，“物質(zhì)和反物質(zhì)粒子互相湮滅100億個，留下了一個物質(zhì)粒子,。這小小的‘一個’就構(gòu)成了我們,。”

但物質(zhì)為什么一開始比反物質(zhì)多了一點點,？“我們不知道,，”林肯說，“這是個謎,?！比绻镔|(zhì)和反物質(zhì)最初的數(shù)量是相同的，它們應(yīng)該在能量的爆發(fā)中完全互相湮滅,。林肯說,，要是這樣的話，“就不會有人類了”,。

位于美國伊利諾伊州巴達維亞的費米國立加速器實驗室

當“地下深處中微子實驗”項目在2026年開始收集數(shù)據(jù)時，一些答案可能會浮出水面,。該項目將分析從費米國立加速器實驗室發(fā)射到桑福德地下研究設(shè)施的一束中微子（不帶電荷,、幾乎沒有重量的微小粒子）,。這束中微子將包含中微子和反中微子，研究目標是看看二者的行為是否相同,，從而為自然界的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性提供線索,。

5. 在固體和液體之間的灰色地帶發(fā)生了什么？

固體和液體很好理解,。但一些物質(zhì)的表現(xiàn)既像固體又像液體,，使它們的行為很難預測。沙子就是一個例子,。一顆沙子是像巖石一樣的固體,，但百萬顆沙子能像水一樣流過漏斗。車流的表現(xiàn)也是如此,，汽車自由地穿行,，直到在某個擁堵地段停下。

因此,，更好地理解這個“灰色地帶”可能具有非常重要的現(xiàn)實意義。

“人們一直在問,，交通系統(tǒng)會在什么情況下堵塞,？”曼荷蓮學院物理學家克斯廷·諾德斯特羅姆（Kerstin Nordstrom）說，“避免堵塞的關(guān)鍵參數(shù)是什么,？”奇怪的是,，在某些情況下，車流的一次堵塞實際上減少了更多的交通擁堵,?！斑@違反了人們的直覺，”她說,。

6. 我們能否找到統(tǒng)一的物理學理論,？

我們現(xiàn)在有兩個主要的理論來解釋幾乎所有的物理現(xiàn)象：廣義相對論和量子力學。前者善于解釋所有物體的運動,，小到高爾夫球,，大到宇宙星系。后者在原子和亞原子粒子領(lǐng)域同樣表現(xiàn)出色,。

但問題是,，這兩個理論對世界的描述大不相同。在量子力學中,，事件是在固定的時空背景下展開,。而在廣義相對論中，時空本身是不固定的。彎曲時空的量子理論會是什么樣子,？卡羅爾說,，我們不知道?！拔覀兩踔敛恢牢覀冊噲D量子化的東西是什么,。”

這沒有阻止人們進行嘗試,。幾十年來,，弦理論（認為物質(zhì)由微小的振動弦或能量環(huán)構(gòu)成）被視為最有可能產(chǎn)生統(tǒng)一的物理學理論。但一些物理學家更傾向于圈量子引力論,。該理論認為,，空間本身由微小的圈構(gòu)成。

弦理論和圈量子引力論都有可取之處,，尤其是弦理論家開發(fā)的技術(shù)有助于解決某些棘手的物理學問題,。但弦理論和圈量子引力論都未經(jīng)實驗證實。眼下,，我們孜孜以求的統(tǒng)一理論仍然杳渺無蹤,。

7. 生命如何從無生命的物質(zhì)進化而來？

在最初的5億年里,，地球上沒有生命,。然后，生命誕生,，逐漸繁衍壯大,。但生命是如何出現(xiàn)的？科學家認為,，在生物進化開始之前,，先有了化學進化,。簡單的無機分子發(fā)生化學反應(yīng),，形成復雜的有機分子，在海洋中進行的可能性最大,。但又是什么啟動了這一過程呢,？

麻省理工學院物理學家杰里米·英格蘭（Jeremy England）最近提出了一個理論，試圖從物理學基本原則的角度出發(fā),，闡釋生命的起源,。他認為，生命是熵增加的必然結(jié)果,。若真是如此,，那么按照他的話說，生命的出現(xiàn)“就像石頭向山下滾一樣理所當然”。

這個理論有很多猜測成分在內(nèi),，但近期的計算機模擬可能為該理論提供了支持,。計算機模擬顯示，平常的化學反應(yīng)（在地球剛形成時常見的那些化學反應(yīng)）能創(chuàng)造出高度結(jié)構(gòu)化的化合物,，這在邁向生命體的道路上是至關(guān)重要的一步,。

大約40億年前,，生命在地球上出現(xiàn),，然后散布到世界各地，但生命如何從非生命物質(zhì)進化而來還是未解之謎

生命的由來為何讓物理學家如此的難以索解,？物理學家會說,，任何有生命的東西都“非常不平衡”。在平衡的系統(tǒng)中,，一個成分與其他成分大體一樣,，沒有能量流入或流出（比如巖石和裝滿氣體的箱子）。生命卻剛好相反,。例如,，一棵植物吸收陽光，利用其能量來制造復雜的糖分子,，同時向外界排放熱量,。

弄懂這些復雜的系統(tǒng)“是物理學沒有解決的重大問題”。多倫多大學物理學家史蒂芬·莫里斯（Stephen Morris）說：“這些非常不平衡的系統(tǒng)自我組織成令人驚異的復雜物體,，比如生命,。我們應(yīng)該如何加以解釋？”

翻譯：于波

來源：Nbcnews

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