【最强大脑】物理界这七大未解之谜，爱因斯坦复生也会无能为力

如果艾萨克·牛顿（Isaac Newton）乘坐时光机来到现代，他会欣喜地发现物理学已经取得了巨大的进步。几个世纪前还异常神秘的东西现在只是大学新生物理课上的内容，恒星的构成就是一个很好的例子。

看到大型强子对撞机（LHC）这样的巨型实验装置，牛顿一定会惊得合不拢嘴。要是知道自己的引力理论被爱因斯坦的理论所取代，他可能会感到沮丧。量子力学可能会被他视为奇谈怪论，虽然当今的科学家也有同样的感觉。

然而，一旦了解最新进展，他无疑会为现代物理学取得的成就鼓掌欢呼，无论是在19世纪发现光的本质，在20世纪确定原子的结构，还是在去年发现引力波。

尽管如此，当代科学家承认，他们并未掌握所有的答案。

“我们还没有弄懂关于宇宙的一些基本事实，”加州大学物理学家、《我们不知道：未知宇宙指南》合著者丹尼尔·怀特森（Daniel Whiteson）博士说。

以下是当今物理学七大未解之谜。

1. 物质是由什么构成的？

众所周知，物质由原子构成，原子由质子、中子和电子构成，质子和中子由更小的粒子夸克构成。如果进行更深入的探索，我们会不会发现更加基本的粒子？

谁也说不准。

我们确实有了粒子物理标准模型，它很好地解释了亚原子粒子之间的相互作用，也被用来预测未知粒子的存在。上次通过这种方法发现的粒子是希格斯玻色子，于2012年被LHC研究人员发现。

但标准模型并非无所不能。

“标准模型解释不了一切，”费米国立加速器实验室粒子物理学家唐·林肯（Don Lincoln）博士说，“它解释不了希格斯玻色子为什么存在，解释不了希格斯玻色子的质量。”实际上，希格斯玻色子的质量比人们原先预测的要轻得多。林肯说，按照以前的理论，它的质量应该是其实际质量的1000万亿倍！

大型强子对撞机的一个粒子探测器

谜题还不止这些。原子被认为是电中性的（质子的正电荷与电子的负电荷互相抵消），但为什么会这样？林肯说：“没人知道。”

2. 引力为什么如此诡异？

对于我们来说，没有哪种力比引力更为熟悉。毕竟，正是引力使我们可以站在地面上。爱因斯坦的广义相对论提出了引力的数学公式，把引力描述为一个“扭曲”的空间。但引力的强度比其他三种已知的力（电磁力、弱力和强力）要弱万亿亿亿亿倍。

一种可能是（目前只是猜测），除了我们日常注意到的三个空间维度以外，还有隐藏的其他维度，也许以一种不可能被发现的方式“卷曲起来”。如果真的存在另外的维度，并且引力能“泄漏”到那些维度，这可以解释引力对我们而言为何这么弱。

“引力可能和其他的力拥有相同的强度，但由于引力泄漏进入其他不可见的维度，因而被迅速削弱，”怀特森说。一些物理学家希望，在LHC进行的实验会提供其他维度的线索，但到目前为止还没有任何发现。

3. 时间为什么只能单向流动？

自从爱因斯坦提出相对论以来，物理学家认为空间和时间组成了一种叫做“时空”的四维结构。但空间和时间存在某些根本上的区别。

在空间中，我们可以随心所欲地自由移动。而在时间中，我们毫无自由可言。我们只会年齿徒增，不可能返老还童。我们记得过去，但不知道未来。和空间不同，时间似乎只有一个特定的方向，物理学家称之为“时间的箭头”。

一些物理学家猜测，热力学第二定律提供了线索。热力学第二定律可以表述为一个物理系统的熵（混乱程度）会逐渐增加。物理学家认为，熵的增加使时间有了方向。

例如，一个破碎的茶杯比一个完好的茶杯拥有更高的熵。毫无疑问，破碎的茶杯总是在完好的茶杯之后出现，而不是在之前出现。

熵增加是因为它先前的值较低，但它为什么一开始很低？140亿年前，当宇宙因大爆炸而诞生时，宇宙的熵是不是非常低？

包括加州理工学院教授肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）在内的一些物理学家认为，这就是缺失的一环。

“如果你能告诉我为什么早期宇宙拥有低熵，我就能解释其余的部分，”卡罗尔说。在怀特森看来，熵理论并不能解释全貌。

他说：“我认为，问题的根本在于，时间和空间为什么差别这么大？”近期的计算机模拟实验似乎表明，时间的不对称性可能源于物理学的基本定律，但这一结论存在争议，时间的终极本质仍然是未解之谜。

4. 反物质都去了哪里？

比起现实生活中，反物质在科幻小说里更出名。在《星际迷航》中，反物质和物质发生相互作用，驱动曲速引擎，使飞船以超过光速的速度飞行。曲速引擎纯属虚构，但反物质是真实存在的。我们知道，构成物质的每一种粒子可能都有一种与其电荷相反的相同粒子。

例如，反质子就像质子，但电荷为负。对于带负电荷的电子来说，其反粒子就是带正电荷的正电子。

物理学家已经在实验室中创造出反物质。但在此过程中，他们也创造出了同等数量的物质。这表明，宇宙大爆炸肯定创造出了相同数量的物质和反物质。然而，我们看到的几乎一切都是由物质构成，不管是脚下的地面，还是遥远的星系。

到底发生了什么？为什么物质比反物质更多？

最有可能的解释是，宇宙大爆炸产生的物质比反物质多了一点点。“在宇宙的早期历史中（大爆炸之后的很短时间内），每100亿个反物质粒子就有100亿零一个物质粒子，”林肯说，“物质和反物质粒子互相湮灭100亿个，留下了一个物质粒子。这小小的‘一个’就构成了我们。”

但物质为什么一开始比反物质多了一点点？

“我们不知道，”林肯说，“这是个谜。”如果物质和反物质最初的数量是相同的，它们应该在能量的爆发中完全互相湮灭。林肯说，要是这样的话，“就不会有人类了”。

位于美国伊利诺伊州巴达维亚的费米国立加速器实验室

当“地下深处中微子实验”项目（传送门 | 寻找宇宙丢失的另一半）在2026年开始收集数据时，一些答案可能会浮出水面。该项目将分析从费米国立加速器实验室发射到桑福德地下研究设施的一束中微子（不带电荷、几乎没有重量的微小粒子）。

这束中微子将包含中微子和反中微子，研究目标是看看二者的行为是否相同，从而为自然界的物质-反物质不对称性提供线索。

5. 在固体和液体之间的灰色地带

发生了什么？

固体和液体很好理解。但一些物质的表现既像固体又像液体，使它们的行为很难预测。

沙子就是一个例子。一颗沙子是像岩石一样的固体，但百万颗沙子能像水一样流过漏斗。车流的表现也是如此，汽车自由地穿行，直到在某个拥堵地段停下。

因此，更好地理解这个“灰色地带”可能具有非常重要的现实意义。

“人们一直在问，交通系统会在什么情况下堵塞？”曼荷莲学院物理学家克斯廷·诺德斯特罗姆（Kerstin Nordstrom）说，“避免堵塞的关键参数是什么？”

奇怪的是，在某些情况下，车流的一次堵塞实际上减少了更多的交通拥堵。“这违反了人们的直觉，”她说。

6. 我们能否找到统一的物理学理论？

我们现在有两个主要的理论来解释几乎所有的物理现象：广义相对论和量子力学。

前者善于解释所有物体的运动，小到高尔夫球，大到宇宙星系。后者在原子和亚原子粒子领域同样表现出色。

但问题是，这两个理论对世界的描述大不相同。在量子力学中，事件是在固定的时空背景下展开。而在广义相对论中，时空本身是不固定的。

弯曲时空的量子理论会是什么样子？

卡罗尔说，我们不知道。“我们甚至不知道我们试图量子化的东西是什么。”

这没有阻止人们进行尝试。几十年来，弦理论（认为物质由微小的振动弦或能量环构成）被视为最有可能产生统一的物理学理论。但一些物理学家更倾向于圈量子引力论。该理论认为，空间本身由微小的圈构成。

弦理论和圈量子引力论都有可取之处，尤其是弦理论家开发的技术有助于解决某些棘手的物理学问题。但弦理论和圈量子引力论都未经实验证实。

眼下，我们孜孜以求的统一理论仍然杳渺无踪。

7. 生命如何从无生命的物质进化而来？

在最初的5亿年里，地球上没有生命。然后，生命诞生，逐渐繁衍壮大。

但生命是如何出现的？

科学家认为，在生物进化开始之前，先有了化学进化。简单的无机分子发生化学反应，形成复杂的有机分子，在海洋中进行的可能性最大。

但又是什么启动了这一过程呢？

麻省理工学院物理学家杰里米·英格兰（Jeremy England）最近提出了一个理论（传送门 | 生命从何而来？MIT“学霸”提出了挑战三观的理论），试图从物理学基本原则的角度出发，阐释生命的起源。

他认为，生命是熵增加的必然结果。若真是如此，那么按照他的话说，生命的出现“就像石头向山下滚一样理所当然”。

这个理论有很多猜测成分在内，但近期的计算机模拟可能为该理论提供了支持。计算机模拟显示，平常的化学反应（在地球刚形成时常见的那些化学反应）能创造出高度结构化的化合物，这在迈向生命体的道路上是至关重要的一步。

大约40亿年前，生命在地球上出现，然后散布到世界各地，但生命如何从非生命物质进化而来还是未解之谜

生命的由来为何让物理学家如此的难以索解？

物理学家会说，任何有生命的东西都“非常不平衡”。在平衡的系统中，一个成分与其他成分大体一样，没有能量流入或流出（比如岩石和装满气体的箱子）。生命却刚好相反。

例如，一棵植物吸收阳光，利用其能量来制造复杂的糖分子，同时向外界排放热量。弄懂这些复杂的系统“是物理学没有解决的重大问题”。

多伦多大学物理学家史蒂芬·莫里斯（Stephen Morris）说：“这些非常不平衡的系统自我组织成令人惊异的复杂物体，比如生命。我们应该如何加以解释？”

翻译：于波

来源：Nbcnews