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[未解之谜] 物理学中的10个未解之谜

作者:蓝扬日期:2019-12-04浏览:201分类:神秘之旅

是否存在裸奇点

当一个“事物”的某些性质是无限的时候,就会出现奇点,因此我们所知道的物理定律就会崩溃。在黑洞的中心有一个无限小的点(里面塞满了有限数量的物质),这个点被称为奇点。在数学中,奇点总是不断出现,例如坐标平面上的垂直线有一个“无限”的斜率。实际上,垂直线的斜率是没有定义的。

裸奇点”是一个可以与宇宙其他部分互动的奇点。黑洞有一个球形区域的视界,任何东西(包括光)都不能从中逃脱。乍一看,你可能会认为裸奇点的问题至少在一定程度上已经被黑洞解决了,因为没有任何东西可以离开视界,奇点也不会响到宇宙的其他部分。

但是奇点是否可以在没有事件视界的情况下形成,这仍然是一个悬而未决的问题。如果它们能够存在,那么阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论将需要修正,因为当系统太接近奇点时,它就会崩溃。裸奇点可能是虫洞,也可能是时间机器,但在自然界没有证据证明这一点。

测量是如何使量子波函数坍缩的

在电子、光子和其他基本粒子的奇异领域,量子力学就是定律。粒子的行为不像小球,而是像散布在大面积上的波。每个粒子都由一个“波函数”或概率分布来描述,它告诉我们它的位置、速度和其他属性可能是什么,但不告诉我们这些特性是什么。实际上,粒子的所有属性值都有一系列值,直到你通过实验测量其中一个属性时,粒子的波函数在该点“坍缩”。

但是,为什么测量一个粒子会使它的波函数坍缩,产生我们认为存在的具体现实。这个问题被称为测量问题,似乎看起来很深奥。

弦理论正确吗

物理学家假设所有的基本粒子实际上都是一维环或“弦”,每一个都以不同的频率振动时,物理学就容易多了。弦理论使物理学家能够调和控制粒子的量子力学定律和控制时空的广义相对论定律,并将四种基本的自然力统一到一个框架中。但问题是,弦理论只能在一个有10或11维的宇宙中成立:3个大的空间维度,6或7个压缩的空间维度,和一个时间维度。压缩的空间维度以及振动的弦本身大约是原子核的万亿分之一的十亿分之一。我们没有办法探测到这么小的东西,也没有办法通过实验验证弦理论。

混沌中有秩序吗

物理学家不能精确地解出描述流体行为的方程组。事实上,我们不知道所谓的N-S方程的通解是否存在,如果存在一个解,它是否描述了各处的流体,或者包含了称为奇点的内在不可知的点。因此,人们对混沌的本质并没有很好地理解。物理学家和数学想知道,天气仅仅是难以预测,还是本质上不可预测?湍流是否超越了数学描述,或者当你用正确的数学来处理它时,一切都有意义?

四种基本力会统一吗

宇宙地四种基本力:电磁力、强核力、弱核力和引力。物理学家们知道,如果你把能量调到足够大,其中的三种力就会“结合”成一种力。物理学家运行粒子加速器,理论上可以将电磁力和弱核力统一起来,在更高的能量下,强核力和引力也会发生同样的事情。

但是到目前为止,还没有一种粒子加速器能达到足够高的能量来统一电磁力和弱核力。除了能量的问题外,大统一理论仍然存在一些问题,因为它们预测了迄今尚未证实的其他观测结果。我们可能只是没有一个足够强大的粒子加速器,又或者物理学关于宇宙如何运行的观点是错误的。

为什么物质比反物质更多

有人假设宇宙会对称地对待物质和反物质,因此,在大爆炸的那一刻,应该产生等量的物质和反物质。但如果这种情况真的发生了,那么这两种物质就会完全湮灭:质子与反质子相互抵消,电子与反电子(正电子)相互抵消,中子与反中子相互抵消,最终在一片无物质的广阔空间里,留下一片沉闷的光子海洋。由于某种原因,有多余的物质没有被湮灭,但是这仍然没有公认的解释。

宇宙的最终命运会是如何

宇宙的命运在很大程度上取决于一个未知的因素:Ω,一个测量整个宇宙物质和能量密度的指标。如果Ω大于1,时空就会像一个巨大球体的表面一样“闭合”。如果没有暗能量,这样的宇宙最终会停止膨胀,相反会开始收缩,最终在一场被称为“大收缩”的事件中坍缩。如果宇宙是封闭的,但存在暗能量,球形宇宙将永远膨胀。

如果Ω小于1,那么空间的几何结构就将像马鞍的表面一样“开放”。在这种情况下,它的最终命运是“大冻结”,接着是“大撕裂”:首先,宇宙的向外加速会撕裂星系和恒星,让所有物质变得寒冷而孤独。接下来,加速度会变得如此之大,以致于它会压倒把原子结合在一起的力的作用,一切都会被扭开。

如果Ω=1,宇宙将是平的,像一个无限大的平面向四面八方延伸。如果没有暗能量,这样的平面宇宙将永远膨胀,但速度会不断减速,接近停滞。如果有暗能量,平坦的宇宙最终会经历失控的膨胀导致大撕裂。

声音会发光?

虽然粒子物理学解释了许多未解决的问题,但在实验室的实验装置上还是可以观察到一些未解之谜,声致发光就是其中之一。如果你拿一些水,用声波打它,就会形成气泡。这些气泡是被高压包围的低压区,外部压力推动低压空气,气泡迅速破裂。当这些气泡破裂时,它们会发出光,闪烁持续万亿分之一秒。

问题是,目前还不清楚光源是什么。物理学们测量了这些气泡内部的高温,温度达到了数万华氏度,并拍摄了许多它们发出的光的照片。但是没有很好的解释声波是如何在气泡中产生这些光的。

标准模型之外还有什么

标准模型是迄今为止最成功的物理理论之一。四十年来,它经受住了实验的考验,新的实验不断证明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围一切的粒子的行为,并解释了为什么。但是标准模型并不能解释一切。

引力到底是什么

引力到底是什么?其他的力是由粒子介导的。例如,电磁就是光子的交换。弱核力由W玻色子和Z玻色子携带,而胶子携带将原子核结合在一起的强核力。所有其他的力都可以被量化,这意味着它们可以被表示成单个的粒子,并具有不连续的值。

引力不是这样的。大多数物理理论认为它应该由一个假设的称为引力子的无质量粒子携带。问题是,目前还没有人发现引力子,而且我们也不清楚是否可以建造粒子探测器来观测它们,因为如果引力子与物质相互作用,它们会非常少地这样做,以至于在背景噪音的作用下它们是看不见的。甚至还不清楚引力子是否有质量,如果它们有质量的话,它也非常非常小。


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