物理学之谜（物理学十大未解之谜）

如果您曾经看过《星际迷航》或《大爆炸理论》的一集，那么您就会知道，可以通过一种有趣的方式使大众能够接触到。我们最喜欢的科幻和喜剧作家可能无法正确掌握每一个细节，但它们确实激发了我们对科学理论怪异方面的兴趣。

今天，我们将讨论物理学尚未解释的10个真实奥秘。从外星人交流到时间旅行，我们将尽力使每个人都能理解这些奥秘。

您甚至可能希望自己进一步探索这些主题。您可能还会获得诺贝尔奖并改变世界。

10 超高能宇宙射线从哪里来？

我们的大气层不断受到来自外太空高能粒子的撞击。这些被称为" 。尽管它们对人体没有太大危害，但他们吸引了物理学家。观察宇宙射线已经使我们了解了很多有关天体物理学和粒子物理学的知识。但是有一些-能量最大的-至今仍是神秘的。

1962年，在火山牧场实验中，约翰·D·林斯利（John D. Linsley）博士和利维奥·斯卡西（Livio Scarsi）看到了令人难以置信的东西：超高能宇宙射线，能量超过16焦耳。为了给您一些视角，一个焦耳大约是将一个苹果从地板上举到桌子上所需要的能量。

但是，所有这些能量都集中在一个比苹果小一千亿倍的粒子中。这意味着它的行进速度非常接近光速！

物理学家还不知道这些如何获得如此不可思议的能量。有些理论认为，当恒星生命终结时，它们可能来自超新星。颗粒也可以在围绕黑洞形成的坍塌物质圆盘中加速。

9 我们的宇宙被加速膨胀控制了吗？

在的大尺度惊人持平。这就是所谓的"宇宙学原理"，即无论您在宇宙中的任何地方，平均都有大致相同数量的东西。

但是大爆炸理论表明，在最早的时候，早期宇宙的密度一定存在一些巨大差异。因此，这比今天的宇宙要笨拙得多。

加速膨胀理论表明，我们今天看到的宇宙来自一小部分早期宇宙。这个微小的体积突然而迅速地膨胀了，远远超过了当今宇宙的膨胀速度。

就像您在气球上放然后放满空气一样，加速膨胀"挤出"了早期宇宙中的所有团块，并解释了为什么今天我们拥有一个相当平坦的宇宙-无论您身在何处，情况都相似。

尽管这足以解释我们所看到的一切，但物理学家仍然不知道是什么导致了加速通膨胀。在加速膨胀期间发生的事情的细节也是粗略的。对这个时代的更好理解可以告诉我们有关当今宇宙的很多知识。

8 我们能找到暗能量和暗物质吗？

这是一个令人惊讶的事实：只有大约5％的宇宙是由我们能看到的物质组成的。物理学家注意到，几十年前，外缘的恒星绕这些星系中心运行的速度快于预期。

为了解释这一点，科学家们建议，那些星系中可能存在一些看不见的"暗"物质，导致恒星旋转得更快。此后，对不断膨胀的宇宙的观察促使物理学家得出结论，那里肯定存在着更多的暗物质，即我们所见事物的五倍。

除此之外，我们知道宇宙的膨胀实际上正在加速。这很奇怪，因为我们期望物质的引力（"光"和"暗"）会减慢宇宙的膨胀。

将其与宇宙是平坦的（整体而言，时空总体上是弯曲的）这一事实相结合的，而宇宙学家需要对平衡物质引力的某些事物进行解释。

解决方案是"暗能量"。宇宙中的大多数能量不能被物质所束缚，相反，它正在推动宇宙的膨胀。物理学家认为，宇宙中至少有70％的能量是暗能量形式的。

直到今天，在实验室中还没有直接观察到组成暗物质的粒子和组成暗能量的场。观察暗物质很困难，因为它不与光相互作用，这通常是观察的方式。

但是物理学家希望在大型强子对撞机（LHC）中产生暗物质粒子，在那里可以对其进行研究。事实证明，暗物质颗粒比LHC所能产生的任何物质都要重，在这种情况下，它可能会在更长的时间内仍然是个谜。

暗能量由宇宙的许多不同观测结果支持，但它仍然是非常神秘的。从非常真实的意义上讲，可能是"空间就像在扩大"，只有当我们看到非常大的比例时，我们才能看到它在扩大。

也许和暗能量的解释是不正确的，需要一个全新的理论。但是在物理学家采用它之前，它必须比当前理论更好地解释我们所看到的一切。即便如此，令人难以置信的是，我们可能对宇宙的95％知之甚少。

7 黑洞的核心是什么？

是天体物理学中最著名的物体。我们可以将它们描述为具有如此强大的引力场的时空区域，甚至连光也无法逃脱。

自从爱因斯坦（Albert Einstein）用他的表明引力"弯曲"了空间和时间之后，我们就知道光不能不受引力作用的影响。实际上，爱因斯坦的理论是在日食期间得到证明的，该日食表明太阳的引力使来自遥远恒星的遥远射线偏转。

从那时起，已经观察到许多黑洞，包括我们银河系中心的一个巨大的超大质量黑洞。（不用担心。它不会很快吞下太阳。）

但是，关于黑洞中心发生的事情的奥秘仍未解决。一些物理学家认为可能存在"奇异点"，即一个无限密度的点，其中一些质量集中到一个无限小的空间中。很难想象。更糟糕的是，任何奇点都会导致该理论出现黑洞，因此​​我们无法直接观察到奇点。

关于信息是否在黑洞内丢失仍然存在争议。它们吸收粒子和辐射并发出霍金辐射，但霍金辐射似乎不包含有关黑洞内部正在发生的事情的任何进一步信息。关于落入事件视界并进入黑洞的粒子的某些信息似乎丢失了。

至少在目前看来，似乎无法理解黑洞的核心是什么，这一事实使科幻作者数十年来一直在思考它们是否可能包含不同的宇宙，或者可以用于隐形传送或时空旅行。

6 那里有智能生活吗？

人们一直在梦见，只要他们抬头望着夜空，想知道那里可能存在什么。但是在最近几十年中，我们发现了大量诱人的证据。

首先，行星比人们最初想象的要普遍得多，大多数恒星都有行星系统。我们也知道，我们的星球变得宜居与生活之间的时间差距很小。这是否表明生活可能会形成？如果是这样，我们就有著名的" "：为什么我们还没有与外星人交流呢？

费米悖论有许多解决方案，从野外到更加悲伤和平凡。当您只有一个数据点：我们时，它的确显示了很难得出任何良好的科学结论。

我们知道，智慧生活在这个星球上发展了（好吧，也许值得商bat），这意味着它可以实现。但是我们不知道我们是否真的很幸运。也许我们的星球有些特殊之处，使其极为稀有但适合生活。也许生命开始的可能性非常低，所以那里几乎没有（如果有的话）外来文明。

天文学家弗兰克·德雷克（Frank Drake）将他的"德雷克方程式" 组合在一起，以研究该问题的所有不同方面。每个术语都表示我们可能无法与智能生活进行交流的原因。

也许生活很普通，但是聪明的生活却很少。也许过了一会儿，所有文明都决定不与其他生命形式进行交流。他们在外面，但他们不想和我们说话。

或者，令人不寒而栗，这也许表明，许多外来文明在技术发展到足以进行交流之后不久就自我毁灭。我们可以担心核武器或失控的AI在地球上发生这种情况。

甚至有人提出，外星人缺乏交流可以证明世界是由上帝创造的，或者是计算机模拟的一部分。这可以解释为什么只有我们。宇宙游戏玩家以单人游戏模式进行游戏。

现实情况是，我们一直没有寻找那么长的时间，而且空间是巨大的。信号很容易丢失，外星文明将不得不发送强大的无线电信号供我们拾取。但是令人兴奋的是，外星文明的发现可能会在明天发生，并永远改变我们对宇宙的理解。

5 有什么东西可以比光速快？

自从爱因斯坦以他的狭义相对论改变了物理学的面貌以来，物理学家就已经确定，没有什么比传播得快。实际上，相对论预言到，对于任何具有质量的物体，即使以光速行进，也需要无限的能量。

我们在前面提到的超高能宇宙射线中看到了这一点。相对于它们的大小，它们具有非凡的能量，但是它们仍然不能快速移动。光速是一个严格的限制，这也可能解释了为什么外星文明无法进行通信的原因。如果它们也受此限制，信号可能要花费数千年才能到达。

但是人们一直在质疑是否有某些方法可以绕过宇宙的速度极限。2011年，OPERA实验获得了一些初步结果，表明中微子的传播速度快于光速。但是研究人员后来发现他们的实验装置中存在一些其他错误，这些错误证实了结果是不正确的。

如果存在任何以比光速更快的方式传输物质或信息的方法，那么无疑将改变世界。光速旅行违反了因果关系（事件因果之间的关系）。

由于时间和空间在狭义相对论中相互联系，因此信息传播的速度快于光速，这将使一个人能够在事件"发生"之前（根据事件发生）接收有关事件的信息，这是一种时间旅行。

比光速快的通信会产生我们不知道如何解决的各种。因此，似乎它不存在。但是，如果您确实要开发它，请昨天告诉我们。

4 我们可以找到描述湍流的方法吗？

回到，我们的日常生活中仍然有许多难以理解的事情发生。比如尝试在家中玩水龙头。

如果让水温和地流动，那么您正在研究的是已解决的物理问题，一种我们熟知的水流，称为"层流"。但是，如果您将水调至最大压力并观察到水的喷溅和喷射，您将看一个湍流的例子。在许多方面，湍流仍然是物理学中尚未解决的问题。

Navier-Stokes方程确定诸如水和空气之类的流体应如何流动。这个方程有点像力平衡。我们假设流体被分解成很小的质量块。然后，方程式考虑了作用在该包裹上的所有各种力（重力，摩擦力和压力），并试图确定包裹的速度应如何响应。

对于简单或稳定的流动，我们可以找到完整描述流动的Navier-Stokes方程的解。然后，物理学家可以写下一个方程式，该方程式告诉您流体在流动中任何一点的速度（速度和方向）。

但是对于复杂的湍流，这些解决方案开始崩溃。通过使用大型计算机对方程进行数值求解，我们仍然可以对湍流做很多科学工作。这给了我们一个近似的答案，而没有一个公式可以完全解释流体的行为。

我们以此方式预测。但是，除非找到这些难以捉摸的解决方案，否则我们的知识将是不完整的。

3 我们可以建造一个室温超导体吗？

可能是人类发现的最重要的设备和技术。它们是特殊类型的材料。当温度降到足够低时，材料的电阻降为零。

这意味着您只需在超导体上施加很小的电压即可获得大电流。如果您设置在超导线中流动的电流，由于它的流动没有阻力，它可以继续流动数十亿年而不会耗散。

当前的电源线中损失了大量功率。它们不是超导的，并且具有电阻，当您通过它们时，会导致它们发热。超导体可以将这些损耗降低到零。

但是超导体的可能性比这更令人兴奋。导线产生的强度取决于流经该导线的电流。如果您可以廉价地在超导体中获得非常大的电流，则可以得到真正强大的磁场。

目前，大型强子对撞机正在使用这些场来转移其环附近快速移动的带电粒子。它们还用于实验性核聚变反应堆，这可能在将来为我们提供电力。

问题在于，所有已知的超导体都需要在非常低的温度下工作。即使是我们温度最高的超导体，也必须在-140摄氏度（-220°F）以下才能开始表现出这种出色的性能。

将它们冷却到这些低温通常需要液氮或类似的东西。因此，这样做非常昂贵。世界各地的许多物理学家和材料科学家都在致力于开发圣杯-一种可以在室温下工作的超导体。但是还没有人管理过它。

2 为什么反物质如此重要？

在某些方面，我们仍然根本不知道为什么存在任何东西。大胆的声明，但是事实！对于每个粒子，都有一个相等且相反的粒子，称为反粒子。因此对于电子，有。对于质子，有反质子。等等。

如果一个粒子接触过它的反粒子，它们就会湮灭并变成。由于您可能不想被歼灭，因此反物质非常罕见是一件好事。有时，它会落入宇宙射线中。我们可以使粒子加速器中产生反物质，但需要每克数万亿美元的成本。但总的来说，它在我们的宇宙中似乎极为罕见。

这是一个真正的谜。我们根本不知道为什么物质在我们的宇宙中占主导地位，而不是反物质。将能量（辐射）转换为物质的每个已知过程都会产生相同量的物质和反物质。因此，如果宇宙开始以能量为主导，那为什么不产生相等数量的物质和反物质呢？

我们可以想象一个宇宙，其中能量变成物质-反物质对。然后他们会相互消灭，并永远变回能量。但是，没有结构，没有星星，也没有生命。

有一些理论可以解释这一点。探测大型强子对撞机中粒子相互作用的科学家正在寻找"违反CP"的例子。

如果发生这些相互作用，则可能表明物质和反物质粒子的物理定律是不同的。然后我们可以想象，也许存在一些比反物质更有可能产生物质的过程，这就是为什么我们看到一个由物质控制的非对称宇宙的原因。

荒诞的理论表明，宇宙中可能存在整个区域，而反物质占了主导。有趣的是，这可能比您想象的要难。

反物质和物质以相同的方式与辐射相互作用，因此它们看起来完全相同。我们的望远镜无法区分反物质星系和物质星系。

但是这些理论必须解释物质和反物质是如何分离的，以及为什么当物质和反物质发生碰撞湮灭时，我们为什么看不到大量辐射的证据。

除非我们发现反物质星系的证据，否则在早期宇宙中违反CP似乎是最好的解决方案。但是我们仍然不知道它是如何工作的。

1 我们可以有一个统一的理论吗？

在20世纪，发展了两个伟大的理论，这些理论对物理学有很多解释。一种是量子力学，它详细说明了微小的亚原子粒子的行为和相互作用。量子力学和粒子物理学的标准模型已经解释了自然界中四种物理力中的三种：力和强弱核力。尽管人们仍在争论该理论的哲学含义，但它的预测是惊人的准确。

另一个伟大的理论是爱因斯坦的广义相对论，它解释了引力。在广义相对论中，重力的出现是由于质量的存在使空间和时间弯曲，导致粒子遵循由于时空弯曲变形而弯曲的路径。它可以解释发生在最大尺度上的事物，即星系的形成和恒星的舞蹈。

只有一个问题。两种理论是不相容的。我们无法用对量子力学有意义的方式来解释引力，并且广义相对论不包括量子力学的影响。据我们所知，这两种理论都是正确的。但是他们似乎没有一起起作用。

自从意识到这一点以来，物理学家一直在研究某种解决方案，可以使两种理论相互协调。这被称为大统一理论（GUT）或只是万物理论。

科学家习惯于仅在特定范围内起作用的理论思想。例如，当您采用的低速极限时，您将得到牛顿运动定律。同样，在麦克斯韦将电磁理论统一为电磁学之前，它们还被认为是完全不同的理论。

物理学家希望能够"缩小"并看到量子力学和广义相对论都是更大理论的一部分，就像被子中的补丁一样。弦论是一种可以重现广义相对论和量子力学特征的尝试。但是很难通过实验检验其预测，因此无法证实。

一直在寻找一种可以解释一切的基本理论。也许我们永远找不到。但是，如果物理学教给我们任何东西，那就是宇宙确实是非凡的，并且总有新事物要发现。

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