物理学中最重要的18个未解之谜

admin 2020-03-01 19:35

  1900年,据说勋爵宣称:“现在物理学中没有任何新发现。剩下的就是测量越来越精确。” 在三十年内,量子力学爱因斯坦相对论彻底改变了这一领域。今天,没有物理学家敢于断言我们对宇宙的物理知识已接近完成。相反,每一个新的发现似乎都解开了潘多拉盒子里更大,更深刻的物理问题。这些是我们对所有人最深刻的开放性问题的选择。

  无论天体物理学家如何处理这些数字,宇宙根本就没有加起来。即使重力在时空上向内拉 - 宇宙的“结构” - 它仍然越来越快地向外扩展。为了解释这一点,天体物理学家提出了一种隐形剂,通过推动时空分开来抵消重力。他们称之为暗能量。在最广泛接受的暗能量模型中,它是一个“宇宙常数”:空间本身的固有属性,它具有“负压”驱动空间分开。随着空间的扩大,创造出更多的空间,并且随之而来的是更多的暗能量。根据观察到的扩张速度,科学家们知道所有暗能量的总和必须占宇宙总含量的70%以上。但没有人知道如何寻找它。近年来,最优秀的研究人员在黑暗能量可能隐藏的地方有点狭隘,这是2015年8月发布的一项研究的主题。

  显然,宇宙中大约84%的物质不会吸收或发光。所谓的“暗物质”不能直接看到,也不能通过间接方式检测到。相反,暗物质的存在和性质是从它对可见物质,辐射和宇宙结构的引力效应推断出来的。这种阴暗物质被认为遍布星系的外围,可能由“弱相互作用的大质量粒子”或WIMP组成。在世界范围内,有几个探测器在寻找WIMP,但到目前为止,还没有找到一个。最近的一项研究表明,暗物质可能在整个宇宙中形成细长的细粒流,并且这些溪流可能像地球一样从地球辐射出来。

  时间向前移动是因为被称为“熵”的宇宙属性(大致定义为无序程度)只会增加,因此在熵发生之后无法逆转熵的上升。熵增加的事实是一个逻辑问题:粒子的排列无序排列比有序排列更多,因此随着事物的变化,它们往往陷入混乱。但这里的根本问题是,为什么熵在过去如此之低?换句话说,为什么宇宙在开始时就如此有序,当时在一个小空间里挤满了大量的能量?

  天体物理数据表明,时空可能是“平坦的”,而不是弯曲的,因此它会永远持续下去。如果是这样,那么我们可以看到的区域只是一个无限大的“绗缝多元宇宙”中的一个补丁。同时,量子力学定律规定每个宇宙斑块内只有有限数量的可能粒子配置(10 ^ 10 ^ 122个不同的可能性)。所以,有无数的宇宙斑块中的粒子排列被迫重复 - 无限次多次。这意味着存在无限多个平行宇宙:宇宙斑块与我们完全相同(包含与您完全相同的东西),以及仅由一个粒子的位置而不同的斑块,由两个粒子的位置不同的斑块,依此类推补丁与我们完全不同。

  这种逻辑有什么问题,或者它的奇怪结果是真的吗?如果确实如此,我们怎么能检测出平行宇宙的存在?

  为什么存在比反向旋转和反向旋转的双胞胎反物质更重要的问题实际上是为什么存在任何事物的问题。人们假设宇宙会对称地处理物质和反物质,因此,在宇宙大爆炸的那一刻,应该产生等量的物质和反物质。但如果发生了这种情况,那么两者都将完全消灭:质子会用反质子取消,带有反电子的电子(正电子),带有反中子的中子等等,在无用的物质中留下沉闷的光子海洋汪洋。出于某种原因,有多余的物质没有被消灭,我们就是这样。为此,没有公认的解释。在最详细测试到2015年8月宣布的物质和反物质之间的差异,确认它们是彼此的镜像,为理解为什么物质更为常见的神秘提供了完全零的新途径。

  宇宙的命运在很大程度上取决于未知值的因素:Ω,它是整个宇宙中物质和能量密度的度量。如果Ω大于1,则时空将像巨大球体的表面一样“闭合”。如果没有黑暗的能量,这样的宇宙最终将停止扩张,而是开始收缩,最终在一个被称为“大嘎吱嘎吱”的事件中坍塌。如果宇宙是封闭的,但有是暗能量,球形宇宙将永远膨胀。

  如果Ω= 1,宇宙将是平坦的,在所有方向上像无限平面一样延伸。如果没有暗能量,这样一个平面宇宙会永远膨胀,但是会以不断减速的速度,接近停滞状态。如果有暗能量,平坦的宇宙最终会经历失控的扩张导致大裂口。无论它如何发挥作用,宇宙正在消亡,天文物理学家在2015年12月的文章中详细讨论了这一事实。

  在电子,光子和其他基本粒子的奇怪领域,量子力学是法则。粒子的行为不像小球,而是像大范围的波浪一样。每个粒子都由“波函数”或概率分布描述,它告诉它的位置,速度和其他属性更可能是什么,而不是那些属性是什么。粒子实际上具有所有属性的一系列值,直到您通过实验测量它们中的一个 - 例如它的位置 - 此时粒子的波函数“折叠”并且它只采用一个位置。

  但是,如何以及为什么测量粒子使其波函数崩溃,产生我们认为存在的具体现实?这个被称为测量问题的问题可能看起来很深奥,但我们对现实的理解,或者它是否存在,取决于答案。

  当物理学家认为所有基本粒子实际上是一维环或“弦”时,每个环以不同的频率振动,物理变得更容易。弦理论允许物理学家将控制粒子的规律(称为量子力学)与控制时空的法则(称为广义相对论)相协调,并将自然的四种基本力量统一到一个单一的框架中。但问题是,弦理论只能在具有10或11维的宇宙中工作:三个大的空间,六个或七个压缩的空间,以及时间维度。压缩的空间尺寸 - 以及振动弦本身 - 大约是原子核大小的十亿分之一。没有可能的方法来检测任何小的东西,因此没有已知的方法来实验验证或使字符串理论无效。

  物理学家无法准确地解决描述流体行为的方程组,从水到空气到所有其他液体和气体。事实上,不知道所谓的Navier-Stokes方程的一般解是否存在,或者,如果有解,是否它描述了流体到处,或者包含称为奇点的固有不可知点。因此,混沌的性质尚不清楚。物理学家和数学家们想知道,天气难以预测,或者天生就不可预测?湍流是否超越了数学描述,或者当你用正确的数学解决它时它是否都有意义?

  宇宙经历了四种基本力量:电磁力,强核力,弱相互作用(也称为弱核力)和引力。到目前为止,物理学家们知道,如果你充分调高能量 - 例如,在粒子加速器内 - 其中三种力量“统一”并成为一种力量。物理学家已经运行了粒子加速器并统一了电磁力和弱相互作用,并且在更高的能量下,同样的事情应该发生在强大的核力和最终的引力上。

  但即使理论认为应该发生这种情况,大自然也并非总是如此。到目前为止,没有任何粒子加速器能够达到足够高的能量来将强力与电磁和弱相互作用统一起来。包括引力意味着更多的能量。目前尚不清楚科学家是否能够建立一个强大的科学家; 在日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)可以发射相互撞击的粒子,能量达到数万亿电子伏特(大约14 tera-electron伏特,或TeV)。为了达到大的统一能量,粒子需要至少一万亿倍,因此物理学家需要寻找这些理论的间接证据。

  除了能量问题之外,大统一理论(GUTs)仍然存在一些问题,因为它们预测到目前为止尚未发现的其他观察结果。有几个GUT说质子,在很长的时间内(大约10 ^ 36年),应该变成其他粒子。这从未被观察过,因此质子的持续时间比任何人想象的都要长,或者它们确实永远稳定。对某些类型的GUT的另一个预测是磁单极子的存在 - 磁铁的孤立的“北”和“南”极 - 并且没有人见过其中的一个。我们可能没有足够强大的粒子加速器。或者,物理学家可能错误地认为宇宙是如何运作的。

  如果对象的信息被吸入黑洞,会发生什么?根据目前的理论,如果你将一个铁立方体放入一个黑洞中,就无法找回任何这些信息。那是因为黑洞的引力非常强,以至于它的逃逸速度比光快 - 而光是最快的。然而,称为量子力学的科学分支说量子信息不能被破坏。芝加哥洛约拉大学(Loyola University)物理学副教授罗伯特麦克内斯(Robert McNees)说:“如果你以某种方式消灭这些信息,就会出现问题。”

  量子信息与我们在计算机上存储为1和0的信息或我们脑中的东西略有不同。这是因为量子理论并没有提供关于物体在何处的确切信息,比如在机械学中计算棒球的轨迹。相反,这些理论揭示了最可能的位置或最可能的某些行为的结果。因此,各种事件的所有概率应该加起来为1或100%。(例如,当你滚动一个六面骰子时,给定面部出现的几率是六分之一,所以所有面部的概率加起来为1,你不能超过100%确定某些东西将会发生。因此,量子理论被称为单一的。如果您知道系统如何结束,您可以计算它是如何开始的。

  要描述一个黑洞,你需要的只是质量,角动量(如果它正在旋转)和充电。除了被称为霍金辐射的缓慢的热辐射涓流之外,没有任何东西来自黑洞。据有人所知,没有办法进行反向计算,以弄清楚黑洞实际吞噬了什么。信息被销毁。然而,量子理论认为信息不可能完全无法实现。其中存在“信息悖论”。

  麦克尼斯表示,关于这个问题已经有很多工作,特别是斯蒂芬霍金和斯蒂芬佩里,他们在2015年提出,信息仍然在其边界上,称为事件,而不是存储在黑洞的深处。地平线。许多其他人试图解决这个悖论。到目前为止,物理学家无法就解释达成一致,他们可能会在一段时间内不同意。

  一个奇点时的“东西”有些属性是无限的,因此物理定律,因为我们知道他们打破发生。在黑洞的中心是一个无限小的密集点(包含有限数量的物质) - 一个叫做奇点的点。在数学中,奇点一直出现 - 除以零是一个实例,坐标平面上的垂直线具有“无限”斜率。实际上,垂直线的斜率是不确定的。但奇点会是什么样子?它将如何与宇宙的其他部分相互作用?什么意思说某些东西没有真正的表面并且无限小?

  一个“裸”奇点是一个可以与宇宙的互动。黑洞有事件视界 - 球形区域,任何东西,甚至光线都不能逃脱。乍一看,你可能会认为裸体奇点的问题至少部分地解决了黑洞,因为没有任何东西可以从事件视界中消失,奇点不会影响宇宙的其余部分。(它是“穿上衣服”,可以这么说,而裸体奇点是一个没有事件视界的黑洞。)

  但是,没有事件视界是否可以形成奇点仍然是一个悬而未决的问题。如果它们可以存在,那么阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论将需要修正,因为它在系统太接近奇点时会崩溃。裸体奇点也可能起到虫洞的作用,它也可能是时间机器 - 尽管在本质上没有证据证明这一点。

  如果将粒子与其反物质兄弟交换,物理定律应该保持不变。因此,例如,带正电的质子应该看起来与带负电的反质子相同。这是电荷对称的原理。如果你再次左右交换,物理定律看起来应该是一样的。这是奇偶校验的对称性。这两者一起被称为CP对称。大多数时候,这个物理规则没有被违反。然而,某些外来粒子违反了这种对称性。麦克尼斯说这就是奇怪的原因。“在量子力学中不应该有任何违反CP的行为,”他说。“我们不知道为什么会这样。”

  虽然粒子物理问题解决了许多未解决的问题,但在台式实验室设置中可以观察到一些谜团。声致发光就是其中之一。如果你拿一些水并用声波击中它,就会形成气泡。那些气泡是被高压包围的低压区域; 外部压力推压低压空气,气泡迅速坍塌。当那些气泡坍塌时,它们会发出光,闪烁的持续时间是万亿分之一秒。

  问题是,目前还不清楚光源是什么。理论范围从微小的核聚变反应到某种类型的放电,甚至压缩加热气泡内的气体。物理学家测量了这些气泡内的高温,大约数万华氏度,并拍摄了许多他们产生的光的照片。但是没有很好的解释声波如何在气泡中产生这些光。

  标准模型是有史以来设计最成功的物理理论之一。它已经进行了四十年的实验测试,新的实验一直表明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围的一切的粒子的行为,以及解释为什么,例如,粒子具有质量。实际上,2012年发现的希格斯玻色子- 一个能够为物质提供质量的粒子 - 是一个历史性的里程碑,因为它证实了它存在的长期预测。

  但标准模型并没有解释所有内容。标准模型已经做出了许多成功的预测 - 例如,希格斯玻色子,W和Z玻色子(介导控制放射性的微弱相互作用),以及它们之间的夸克 - 所以很难看出物理学可能超越它。也就是说,大多数物理学家都认为标准模型并不完整。新的,更完整的模型有几个竞争者 - 弦理论就是这样一个模型 - 但到目前为止,这些都没有通过实验得到最终验证。

  无量纲常数是没有附加单位的数字。例如,光速是以米/秒(或每秒186,282英里)为单位测量的基本常数。与光速不同,无量纲常数没有单位且可以测量,但它们不能从理论中推导出来,而像光速这样的常数也可以。

  在他的着作“只有六个数字:塑造宇宙的深层力量”(Basic Books,2001)中,天文学家马丁里斯专注于他认为对物理学至关重要的某些“无量纲常数”。事实上,有六个以上; 标准模型中约有25个。

  例如,通常用α表示的精细结构常数决定了磁相互作用的强度。它大约是0.007297。这个数字奇怪的是,如果它是任何不同的,那么稳定的物质将不存在。另一个是许多基本粒子(例如电子和夸克)的质量与普朗克质量(其为1.221019GeV / c2)的比率。物理学家很想弄清楚为什么这些特定的数字具有他们所做的价值,因为如果它们非常不同,那么宇宙的物理定律就不允许人类来到这里。然而,对于为什么他们拥有这些价值观,仍然没有令人信服的理论解释。

  无论如何,引力是什么?其他力量由粒子介导。例如,电磁学是光子的交换。该弱核力由W和Z玻色子携带,和胶子携带保持原子核在一起的强大的核力量。麦克尼斯表示,所有其他力量都可以量化,这意味着它们可以表示为单个粒子并具有非连续值。

  重力似乎不是那样的。大多数物理理论认为它应该由一个假设的无质粒子(引力引力子)携带。问题是,还没有人发现引力子,并且不清楚任何可以构建的粒子探测器都可以看到它们,因为如果引力子与物质相互作用,它们非常非常罕见 - 很少它们会被看不见背景噪音。甚至还不清楚引力子是无质量的,尽管它们具有质量,它非常非常小 - 比中微子小,它们是已知最轻的粒子之一。弦理论认为引力子(和其他粒子)是闭合的能量环,但到目前为止数学工作还没有产生太多的洞察力。

  由于尚未观察到引力子,因此引力抵制了以我们理解其他力量的方式理解它 - 作为粒子的交换。一些物理学家,尤其是西奥多·卡鲁扎和奥斯卡·克莱因,认为重力可能是超出三个空间(长度,宽度和高度)以及我们熟悉的时间(持续时间)之外的额外维度的粒子,但是否是是真的还是未知数。

  宇宙似乎相对稳定。毕竟,它已经存在了大约138亿年。但如果整件事发生了什么呢?

  这一切都始于希格斯和宇宙的真空。真空或空的空间应该是最低的能量状态,因为它没有任何东西。与此同时,希格斯玻色子- 通过所谓的希格斯场 - 给了它一切的质量。加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授亚历山大库森科在物理学期刊上写道,真空的能量状态可以通过希格斯场的势能和希格斯和顶部的质量来计算。夸克(一个基本粒子)。

  到目前为止,这些计算似乎表明宇宙的真空可能不是处于最低可能的能量状态。这意味着这是一个虚假的真空。如果这是真的,我们的宇宙可能不稳定,因为虚假真空可以通过足够暴力和高能量的事件被打入低能量状态。如果发生这种情况,就会出现一种称为气泡成核的现象。低能真空领域将以光速开始增长。没有什么,甚至不是物质本身,都能存活下来。实际上,我们将用另一个宇宙取代宇宙,这可能具有非常不同的物理定律。

  这听起来很可怕,但鉴于宇宙还在这里,显然还没有这样的事件,天文学家已经看到伽马射线爆发,超新星和类星体,所有这些都是非常有活力的。因此,我们不必担心,这可能不太可能。也就是说,虚假真空的想法意味着当前宇宙的虚假真空被打入低能量状态时,我们的宇宙可能会以这种方式出现。也许我们是粒子加速器事故的结果。