如果能夠乘坐時間機器來到現在,他會很高興看到物理學已經走了多遠。他會驚訝地看到像瑞士的大型強子對撞機(LHC)那樣的巨大實驗,並且可能不情願地得知他的萬有引力理論被一個名叫愛因斯坦想像出來的奇怪理論取代。量子力學可能會讓他感到更加的奇怪,畢竟現在的科學家也有同樣的感覺。但是,一旦牛頓最終理解了這些理論,他無疑會讚揚現代物理學所取得的成就 ,從 19 世紀發現光的本質到 20 世紀確定原子的結構,再到去年發現的引力波。然而今天的物理學家也必須向牛頓承認,知道現在他們仍然沒有搞清楚一些問題的答案。就像有一個物理學家所說的:「我們對宇宙的一些基本事實一無所知。」
以下是對物理學中七個仍未解決的大問題的簡要介紹。
1.什麼是物質?
我們知道物質由原子組成,原子由質子,中子和電子組成。我們知道質子和中子是由稱為夸克的較小粒子組成的。
我們確實有一種稱為粒子物理標準模型的東西,它非常擅長解釋亞原子粒子之間的相互作用。標準模型也被用於預測以前未知的粒子的存在。以這種方式發現的最後一個粒子是希格斯玻色子,這個粒子是 LHC 的研究人員在 2012 年發現的。
但是有一個問題。標準模型並不能解釋所有問題,也不能解釋為什麼希格斯玻色子存在,也不能解釋為什麼希格斯玻色子具有它所具有的質量。這個謎團並沒有就此結束,已知原子是電中性的 ,質子的正電荷被電子的負電荷抵消, 但至於為什麼會這樣,沒人知道。
2.為什麼引力如此奇怪?
重力應該是我們最熟悉的力,畢竟這是讓我們的腳保持在地面上的原因。愛因斯坦的廣義相對論給出了引力的數學公式,將其描述為對空間的彎曲。但重力比其他三種已知力(電磁力和兩種在很短距離內運行的核力)弱萬億億億倍。
一種可能性是除了我們每天注意到的空間的三個維度之外,還有隱藏的額外維度,可能以一種無法檢測的方式捲曲。如果這些額外的尺寸存在 ,並且重力能夠「洩漏」到它們中 ,那就可以解釋為什麼重力這麼弱了。重力可能與其他力量一樣強烈,但它會通過溢出到其他無形的維度而被稀釋,。一些物理學家希望大型強子對撞機上的實驗會給出這些額外維度的暗示,但到目前為止,仍然沒有結果。
3.為什麼時間似乎只朝一個方向流動?
自愛因斯坦以來,物理學家們一直認為空間和時間形成了一個被稱為「時空」的四維結構。但是空間在某些非常根本的方面與時間不同。在太空中,我們可以隨意移動。說到時間,我們被困住了。我們變變老了,但不會年輕。我們記得過去,但不記得未來。與太空不同,時間似乎有一個偏好的方向,物理學家稱之為「時間之箭」。
一些物理學家懷疑熱力學第二定律提供了線索。它指出物理系統的熵(對無序的度量)隨著時間的推移而上升,物理學家認為這種增加是時間的方向。(例如,破碎的茶杯比完整的茶杯具有更多的熵,而且破碎的茶杯似乎總是在完整的茶杯之後出現,而不是之前。)
熵現在可能正在上升,因為它早些時候較低,但為什麼它開始時很低?140億年前宇宙的熵是否異乎尋常地低,大爆炸使它開始變高?
對於一些物理學家來說,這個問題的本質是,為什麼時間與空間如此的不同。最近的計算機模擬似乎表明時間的不對稱性可能來自物理學的基本定律。但是物理學家們對時間的本質的研究還有相當大的爭論。
4.所有反物質都去了哪裡?
反物質在小說中可能比在現實生活中更有名。在最初的「星際迷航」中,反物質是企業號的動力來源。雖然反物質發動機純粹的虛構,但反物質卻是非常真實的。我們知道,對於普通物質的每個粒子,可能具有相同的具有相反電荷的粒子。例如,反質子就像質子一樣,但帶負電荷。同時,對應於帶負電的電子的反粒子是帶正電的正電子。
物理學家在實驗室中創造了反物質。但是當他們這樣做時,他們創造了同等數量的物質。這表明宇宙大爆炸必須創造相同數量的物質和反物質。然而,我們周圍幾乎所有看到的東西,從我們腳下的地面到最遙遠的星系,都是由普通物質構成的。
這是怎麼回事?為什麼物質比反物質更重要?我們最好的猜測是,大爆炸產生了一些比反物質更重要的東西。在大爆炸之後的瞬間,每產生 100 億個反物質粒子應當對應產生就有 100 億零一個物質粒子,200億個物質和反物質粒子湮滅了,只留下了一個物質粒子,這一個就構成我們的宇宙。
但是為什麼首先在反物質上略微過量的物質呢?這很奇怪。如果物質和反物質的初始量相等,它們就會完全湮滅,我們也不會存在。
當深入地下中微子實驗室(DUNE)在 2026 年開始收集數據時,可能會得到一些答案。DUNE 將分析從費米實驗室向美國南達科他州桑福德地下研究設施發射的一束中微子,一種無電荷且幾乎沒有質量的粒子。這個光束將包括中微子和反中微子,目的是看它們是否以相同的方式運行,從而可能提供物質和反物質不對稱的線索。
5.固體和液體之間的灰色區域是什麼?
固體和液體很好理解。但是一些材料既像液體又是固體,使得它們的行為難以預測。沙就是一個例子。一粒沙子像巖石一樣堅固,但是一百萬粒可以像水一樣流過漏鬥。公路交通可以以類似的方式運行,自由流動直到它在某些瓶頸處被阻擋。因此,更好地理解這個「灰色區域」可能具有重要的實際應用價值。
問題是,像這樣的系統在什麼條件下會堵塞?避免堵塞的關鍵參數是什麼?而且在某些條件下,交通流量的阻礙實際上反而可以減少堵車,這非常違反直覺。
6.我們能找到統一的物理理論嗎?
我們現在有兩個總體理論來解釋每一個物理現象:愛因斯坦的引力理論(廣義相對論)和量子力學。前者善於解釋從高爾夫球到星系的一切動作,後者則善於解釋原子和亞原子粒子的領域。
麻煩的是,這兩種理論用非常不同的術語來描述我們的世界。在量子力學中,事件在固定的時空背景下展開;而在廣義相對論中,時空本身就是靈活的。彎曲時空的量子理論會是什麼樣的?不知道。
這並沒有阻止人們嘗試。幾十年來,弦理論 (認為物質由微小的振動弦或能量環組成)被稱為統一物理理論的最佳選擇。但是,弦理論沒有經過實驗證實。就目前而言,短期內尋求的「萬有理論」仍然無法實現。
7.生命是如何從無生命的物質演變而來的?
在最初的 5 億年裡,地球毫無生氣。然後突然間有一天生命開始了,從那時起它就一直蓬勃發展。但生命是如何產生的?在生物進化開始之前,科學家認為存在化學進化,簡單的無機分子反應形成複雜的有機分子。但是,這個過程是什麼樣的?
麻省理工學院物理學家傑裡米·英格蘭博士最近提出了一種理論,試圖用物理學的基本原理來解釋生命起源。在這種觀點中,生命是熵上升的必然結果。如果理論是正確的,那麼生命的到來「應該像石頭滾下山一樣不足為奇」。
這個想法很具有推測性。然而,最近的計算機模擬可能會為它提供支持。模擬表明,普通的化學反應(在新形成的地球上常見的那種化學反應)可以導致高度結構化的化合物的產生 - 這似乎是生物體誕生之路上的重要墊腳石。
一旦生命在我們的星球上紮根,它就會蔓延到各處,以後還將會蔓延到其他星球。但生命是如何從非生命物質進化而來仍然是一個謎。