物理學中的10個未解之謎

是否存在裸奇點

當一個「事物」的某些性質是無限的時候，就會出現奇點，因此我們所知道的物理定律就會崩潰。在黑洞的中心有一個無限小的點(裡面塞滿了有限數量的物質)，這個點被稱為奇點。在數學中，奇點總是不斷出現，例如坐標平面上的垂直線有一個「無限」的斜率。實際上，垂直線的斜率是沒有定義的。

裸奇點」是一個可以與宇宙其他部分互動的奇點。黑洞有一個球形區域的視界，任何東西（包括光）都不能從中逃脫。乍一看，你可能會認為裸奇點的問題至少在一定程度上已經被黑洞解決了，因為沒有任何東西可以離開視界，奇點也不會影響到宇宙的其他部分。

但是奇點是否可以在沒有事件視界的情況下形成，這仍然是一個懸而未決的問題。如果它們能夠存在，那麼阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論將需要修正，因為當系統太接近奇點時，它就會崩潰。裸奇點可能是蟲洞，也可能是時間機器，但在自然界沒有證據證明這一點。

測量是如何使量子波函數坍縮的

在電子、光子和其他基本粒子的奇異領域，量子力學就是定律。粒子的行為不像小球，而是像散布在大面積上的波。每個粒子都由一個「波函數」或概率分布來描述，它告訴我們它的位置、速度和其他屬性可能是什麼，但不告訴我們這些特性是什麼。實際上，粒子的所有屬性值都有一系列值，直到你通過實驗測量其中一個屬性時，粒子的波函數在該點「坍縮」。

但是，為什麼測量一個粒子會使它的波函數坍縮，產生我們認為存在的具體現實。這個問題被稱為測量問題，似乎看起來很深奧。

弦理論正確嗎

當物理學家假設所有的基本粒子實際上都是一維環或「弦」，每一個都以不同的頻率振動時，物理學就容易多了。弦理論使物理學家能夠調和控制粒子的量子力學定律和控制時空的廣義相對論定律，並將四種基本的自然力統一到一個框架中。但問題是，弦理論只能在一個有10或11維的宇宙中成立：3個大的空間維度，6或7個壓縮的空間維度，和一個時間維度。壓縮的空間維度以及振動的弦本身大約是原子核的萬億分之一的十億分之一。我們沒有辦法探測到這麼小的東西，也沒有辦法通過實驗驗證弦理論。

混沌中有秩序嗎

物理學家不能精確地解出描述流體行為的方程組。事實上，我們不知道所謂的N-S方程的通解是否存在，如果存在一個解，它是否描述了各處的流體，或者包含了稱為奇點的內在不可知的點。因此，人們對混沌的本質並沒有很好地理解。物理學家和數學家想知道，天氣僅僅是難以預測，還是本質上不可預測？湍流是否超越了數學描述，或者當你用正確的數學來處理它時，一切都有意義？

四種基本力會統一嗎

宇宙地四種基本力：電磁力、強核力、弱核力和引力。物理學家們知道，如果你把能量調到足夠大，其中的三種力就會「結合」成一種力。物理學家運行粒子加速器，理論上可以將電磁力和弱核力統一起來，在更高的能量下，強核力和引力也會發生同樣的事情。

但是到目前為止，還沒有一種粒子加速器能達到足夠高的能量來統一電磁力和弱核力。除了能量的問題外，大統一理論仍然存在一些問題，因為它們預測了迄今尚未證實的其他觀測結果。我們可能只是沒有一個足夠強大的粒子加速器，又或者物理學家關於宇宙如何運行的觀點是錯誤的。

為什麼物質比反物質更多

有人假設宇宙會對稱地對待物質和反物質，因此，在大爆炸的那一刻，應該產生等量的物質和反物質。但如果這種情況真的發生了，那麼這兩種物質就會完全湮滅：質子與反質子相互抵消，電子與反電子(正電子)相互抵消，中子與反中子相互抵消，最終在一片無物質的廣闊空間裡，留下一片沉悶的光子海洋。由於某種原因，有多餘的物質沒有被湮滅，但是這仍然沒有公認的解釋。

宇宙的最終命運會是如何

宇宙的命運在很大程度上取決於一個未知的因素：Ω，一個測量整個宇宙物質和能量密度的指標。如果Ω大於1，時空就會像一個巨大球體的表面一樣「閉合」。如果沒有暗能量，這樣的宇宙最終會停止膨脹，相反會開始收縮，最終在一場被稱為「大收縮」的事件中坍縮。如果宇宙是封閉的，但存在暗能量，球形宇宙將永遠膨脹。

如果Ω小於1，那麼空間的幾何結構就將像馬鞍的表面一樣「開放」。在這種情況下，它的最終命運是「大凍結」，接著是「大撕裂」：首先，宇宙的向外加速會撕裂星系和恆星，讓所有物質變得寒冷而孤獨。接下來，加速度會變得如此之大，以致於它會壓倒把原子結合在一起的力的作用，一切都會被扭開。

如果Ω=1，宇宙將是平的，像一個無限大的平面向四面八方延伸。如果沒有暗能量，這樣的平面宇宙將永遠膨脹，但速度會不斷減速，接近停滯。如果有暗能量，平坦的宇宙最終會經歷失控的膨脹導致大撕裂。

聲音會發光？

雖然粒子物理學解釋了許多未解決的問題，但在實驗室的實驗裝置上還是可以觀察到一些未解之謎，聲致發光就是其中之一。如果你拿一些水，用聲波打它，就會形成氣泡。這些氣泡是被高壓包圍的低壓區，外部壓力推動低壓空氣，氣泡迅速破裂。當這些氣泡破裂時，它們會發出光，閃爍持續萬億分之一秒。

問題是，目前還不清楚光源是什麼。物理學家們測量了這些氣泡內部的高溫，溫度達到了數萬華氏度，並拍攝了許多它們發出的光的照片。但是沒有很好的解釋聲波是如何在氣泡中產生這些光的。

標準模型之外還有什麼

標準模型是迄今為止最成功的物理理論之一。四十年來，它經受住了實驗的考驗，新的實驗不斷證明它是正確的。標準模型描述了構成我們周圍一切的粒子的行為，並解釋了為什麼。但是標準模型並不能解釋一切。

引力到底是什麼

引力到底是什麼？其他的力是由粒子介導的。例如，電磁就是光子的交換。弱核力由W玻色子和Z玻色子攜帶，而膠子攜帶將原子核結合在一起的強核力。所有其他的力都可以被量化，這意味著它們可以被表示成單個的粒子，並具有不連續的值。

引力不是這樣的。大多數物理理論認為它應該由一個假設的稱為引力子的無質量粒子攜帶。問題是，目前還沒有人發現引力子，而且我們也不清楚是否可以建造粒子探測器來觀測它們，因為如果引力子與物質相互作用，它們會非常少地這樣做，以至於在背景噪音的作用下它們是看不見的。甚至還不清楚引力子是否有質量，如果它們有質量的話，它也非常非常小。