物理学中18个最大未解难题（物理学中9大未解之谜）

在1900年，据说英国物理学家凯尔文勋爵曾宣称：“现在物理学中没有什么新东西可以发现。所有剩下的都是越来越精确的测量。在三十年内，量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改变了这个领域。

凯尔文勋爵

人类了解平行的宇宙？为什么时间似乎只向一个方向移动，为什么我们不理解混沌？

今天，任何物理学家都不敢断言我们对宇宙的物理知识已经接近完成。相反，每个新发现似乎都解开了一个由更大、更深的物理问题。

不管天体物理学家如何计算这些数字，宇宙根本就没有合并成单一的个体。尽管引力正向内拉着时空——宇宙的“结构”——它又不断地向外扩展得越来越快。为了解释这一点，天体物理学家提出了一种无形的物质，通过将时空分开来对抗重力，称之为暗能量。

在最被广泛接受的暗能量模型中，它是一个“宇宙常数”：空间本身的固有性质，它具有“负压力”将空间分开。随着空间的膨胀，更多的空间被创造出来，伴随而来的是更多的暗能量。根据观测到的膨胀速度，科学家们知道，所有暗能量的总和必须占宇宙总量的70%以上。但没人知道怎么找。

在最近几年里，最优秀的研究人员所能做到的，也只是在暗能量可能隐藏地方的一个点而已。

显然，宇宙中大约84%的物质不吸收光也不发光。所谓的“暗物质”是不能直接看到的，也还没有通过间接手段被探测到。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作用中推断出来的。这种阴影物质被认为弥漫在星系的外围，可能是由“相互作用的大质量粒子”组成。

在世界范围内，有好几个探测器在寻找，但到目前为止，还没有一个被发现。最近的一项研究表明，暗物质可能在宇宙中形成长而细粒的溪流，而这些溪流可能像毛发一样从地球上放射出来。

时间向前移动，因为宇宙中一个叫做“熵”[shāng]的性质，粗略地定义为无序的水平，只是增加，因此在熵的上升发生后没有办法逆转。

熵的增加是一个逻辑问题：粒子的无序排列比有序排列多，因此随着事物的变化，它们往往会陷入混乱。但根本的问题是，为什么熵在过去如此之低？换句话说，为什么宇宙一开始是如此有序的，当大量的能量挤在一个很小的空间里？

天体物理学数据表明，时空可能是“平坦的”，而不是弯曲的，因此它会一直持续下去。如果是这样，那么我们所看到的区域（我们认为是“宇宙”）只是无限大的“被包围的多元宇宙”中的一个补丁。

同时，量子力学定律规定，在每个宇宙补丁内（10^10^122不同的可能性）只有有限可能的粒子构型。因此，在无限多的宇宙斑块中，粒子的排列被迫重复——无限多次。这意味着有无限多的平行宇宙：宇宙补丁与我们的完全相同（包含与你完全相似的人），以及仅因一个粒子位置不同而不同的补丁，以及因两个粒子位置不同而不同的补丁，接下来是和我们完全不同的补丁。

这个逻辑有什么问题吗？还是它的奇异结果是真的？如果这是真的，我们怎么可能探测到平行宇宙的存在呢？看“无限宇宙”将意味着什么。

为什么有这么多的物质比它的正电荷和正旋转的反物质？实际上是一个为什么任何东西存在的问题。

物质和反物质

我们假设宇宙会对称地处理物质和反物质，在大爆炸的那一刻，应该产生等量的物质和反物质。但如果发生了这种情况，这两者都将被完全毁灭：质子将被反质子所抵消，电子被反电子（正电子）所抵消，中子被反中子所抵消，等等，留下了一片无物质的空海。

因为某种原因，有些多余的物质没有被消灭，而我们在这里。对此，没有可以让我们接受的解释。

宇宙的命运在很大程度上取决于一个未知的因素：ω，一种对整个宇宙物质和能量密度的测量。如果ω大于1，那么时空就会像一个巨大球体的表面一样，是封闭的。如果没有暗能量，这样的宇宙最终会停止膨胀并开始收缩，最终在被称为“大紧缩”的事件中崩溃。如果宇宙是封闭的，但有暗能量，球形宇宙将永远膨胀。

或者，如果ω小于1，那么空间的几何一样是“开放的”。在这种情况下，它的最终命运是“大冻结”，然后是“大撕裂”！首先，宇宙向外加速会撕裂星系和恒星，使所有物质都变得冰冷和孤独。接着，加速度会变得如此之强，以至于它会压倒将原子固定在一起力的作用，所有的东西都会被扭成一团。

如果ω=1，宇宙将是平坦的，像无限平面一样向四面八方延伸。如果没有暗能量，这样的平面宇宙将永远膨胀，但以持续的减速速度，接近静止。如果有暗能量，平坦的宇宙最终会经历失控的膨胀导致大裂缝。不管结果如何，宇宙正在消亡。

在电子、光子和其他基本粒子的奇异领域，量子力学是定律。粒子的行为不像球，而是像扩散到大面积的波。每个粒子都用“波函数”来描述，或称概率分布，它告诉我们它的位置、速度和其他性质更可能是什么，但不是那些性质是什么。

粒子实际上对所有的性质都有一系列的值，直到你实验性地测量其中的一个--例如它的位置--此时粒子的波函数“崩溃”，它只采用一个位置。

但是，测量一个粒子为什么使它的波函数崩溃，产生我们所感知到的具体现实？这个问题，也就是所谓的测量问题，可能看起来很深奥，但是我们对现实的理解，或者说如果它存在的话，取决于答案。

如果一个物体被吸入黑洞，它的信息会发生什么？根据目前的理论，如果你把一个立方体的铁扔进一个黑洞，就没有办法得到任何回复。那是因为黑洞的引力非常强，它的逃逸速度比光还快，而光是最快的东西。

然而，量子信息是不能被破坏的。如果以某种方式毁灭了这些信息，有些东西就会失控，

量子信息就像与我们储存在计算机上的1和0的信息，但与我们大脑中的东西略有不同。这是因为量子理论没有提供精确的信息。

例如，一个物体将在哪里，就像计算力学中的棒球轨迹。相反，这些理论揭示了一些行动最可能的地点或最可能的结果。因此，各种事件的所有概率加起来应该是1，或100%。（举个例子，当你掷出一个六边形的骰子时，一个特定的面出现的几率是六分之一，所以所有的脸的概率加起来都是1，而且你不可能100%）因此，量子理论被称为单位论。如果你知道一个系统是如何结束的，但你可以计算它是如何开始的。

黑洞

要描述一个黑洞，你只需要质量、角动量（如果它在旋转）和电荷。没有什么能从黑洞里出来，没有办法做反向计算来找出黑洞实际上吞噬了什么，信息被销毁了。然而，量子理论认为信息不可能完全无法到达。这就是“信息悖论”。

物理学家无法精确地解出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，我们不知道所谓的纳维-斯托克斯方程的一般解是否存在，或者，如果存在一个解，它是否描述了所有的流体，或者包含了内在的称为奇点的未知点。

因此，人们对混乱的性质没有很好的理解。物理学家和数学家想知道，天气究竟是难以预测，还是天生不可预测？湍流是超越数学描述，还是可以用正确的数学来处理它？