物理十大未解难题（物理界七大未解之谜）

物理好教师

NO1.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。

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。”

NO2. 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。

NO3. 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。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。

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。

NO4. 反物质都去了哪里？

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。

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）在2026年开始收集数据时，一些答案可能会浮出水面。

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。

NO5. 在固体和液体之间的灰色地带。

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。

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。

NO6. 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。

眼下，我们孜孜以求的统一理论仍然杳渺无踪。

NO7. 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？

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，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。

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