科普好文:當今物理學界12個懸而未決的難題

2018年07月07日     327     檢舉

1900年,英國物理學家開爾文曾說過:「將來的物理學已經不會有什麼新發現了。剩下的只有越來越精確的測量。」不過,三十年後,量子力學和愛因斯坦的相對論徹底改變了這個預言。今天,沒有一個物理學家敢斷言我們對宇宙的物理知識接近於完成。相反,每一個新的發現似乎都解開了一個更大的、甚至更深層次的物理問題的潘多拉盒子。在這篇文章里,你會了解到平行宇宙,為什麼時間似乎只向一個方向移動,以及宇宙的命運。

1、什麼是暗能量?

紫外可見光譜的圖像展示了遙遠的宇宙,圖上的星系正以超過光速的速度加速遠離我們。但是重力的作用是向內部拉的,為什麼星系會遠離我們?為了解釋這一點,天體物理學家提出了一種無形的媒介,通過將時空分開來抵消重力,他們稱之為暗能量。在最被廣泛接受的暗能量模型中,它是一個「宇宙常數」,是空間本身的固有屬性,它有「負壓力」將空間分開。隨著空間的膨脹,更多的空間被創造出來,並隨之產生更多的暗能量。根據觀測到的膨脹率,科學家們知道,所有暗能量的總和必須占宇宙總含量的70%以上。但是沒有人知道如何去尋找它,因為暗能量並不會吸收、反射或者輻射光,所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。天文學家們一直以來通過觀測一些宇宙結構和物質受引力的影響以及能夠探測到的輻射來研究這一概念。

2、什麼是暗物質?

據研究,宇宙中大約84%的物質不能吸收也不能發出光線,這種物質被稱為「暗物質」,它們既不能直接被看到,也不能被間接的方法檢測到。與暗能量相似,暗物質的存在和性質是根據它對可見物質、輻射和宇宙結構的引力作用來推斷出來的。這種神秘的物質被認為瀰漫在星系的外圍,可能由「弱相互作用的大粒子(WIMP)」組成。在世界範圍內,有幾個探測器在尋找暗物質,但到目前為止還沒有發現。最近的一項研究表明,暗物質可能會在整個宇宙中形成長長的、細粒度的溪流,而這樣的溪流可能會像頭髮一樣從地球散發出來。

3、為什麼會有時間軸?

為什麼時間會一直持續向前推移?因為宇宙的一個屬性叫做「熵」,大致定義為無序程度,只會增加,所以在發生熵變之後,就沒有辦法逆轉熵的上升。熵增加的事實是一個邏輯問題:粒子的無序排列比有序的排列要多,所以當事物發生變化時,它們往往會陷入混亂。以此推測,宇宙之初物質應該是高度有序的,之後越來越混亂。但這裡的基本問題是,為什麼過去的熵如此之低?換一種方式,為什麼宇宙一開始,有大量的能量被擠在一個小空間裡的時候就如此有序?

4、平行宇宙存在嗎?

天體物理數據表明,時空可能是「平的」,而不是彎曲的,而且它會永遠持續下去。如果是這樣的話,那麼我們所能看到的區域(我們認為是「宇宙」)只是一個無限大的被拼接的多元宇宙中的一個「補丁」。與此同時,量子力學認為,在每個補丁中只能容納有限數量的粒子(10^10^122個不同的可能性)。因此,在無限數量的宇宙斑塊中,它們內部的粒子排列被迫重複無限多次。這意味著有無限多的平行宇宙:宇宙的補丁和我們的完全一樣(那裡包含一個和你完全一樣的人)。你認為這種邏輯有什麼問題嗎,或者這種結果是真的嗎?如果這是真的,我們如何探測到平行宇宙的存在呢?(筆者計劃更新關於多元宇宙和無限宇宙的文章,歡迎關注)。

5、為什麼物質比反物質要多?

反物質就是正常物質的鏡像,正常原子由帶正電荷的原子核構成,核外則是帶負電荷的電子。但是,反物質的構成卻完全相反,它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。從根本上說,反物質就是物質的一種倒轉的表現形式。按照物理學家假想,宇宙誕生之初曾經產生等量的物質與反物質,而兩者一旦接觸便會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大能量。然而,出於某種原因,當今世界主要由物質構成,反物質似乎壓根不存在於自然界。正反物質的不對稱疑難,是物理學界所面臨的一大挑戰。這也被稱為物質-反物質的不對稱性。

6、宇宙的命運是什麼?

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