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简介 1900年，英国物理学家开尔文勋爵曾说过:“现在物理学中没有什么新发现。”剩下的就是越来越精确的测量。不到30年，量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改变了这个领域。今天，没有一个物理学家敢断言我们对宇宙的物理知识已经接近完成。相反，每一个新发现似乎都打开了一个潘多拉的盒子，里面装着更大、更深奥的物理学问题。这些是我们对所有问题中最深刻的开放性问题的选择。 在这篇文章里你将会学到平行宇宙，为什么时间似乎只朝一个方向移动，为什么我们不理解混沌等等很多物理学的前沿问题，打开脑洞吧。 NO.1 暗能量是什么? 无论天体物理学家如何计算这些数字，宇宙根本就不会加起来。尽管引力对时空——宇宙的“结构”——的作用是向内拉，但它向外扩张的速度却越来越快。为了解释这一点，天体物理学家们提出了一种无形的物质，它通过挤压时空来抵消重力。他们称之为暗能量。在最广泛接受的暗能量模型中，它是一个“宇宙常数”:空间本身的固有属性，它具有“负压力”驱动空间。随着空间的扩大，更多的空间被创造出来，随之而来的是更多的暗能量。根据观测到的膨胀率，科学家们知道所有暗能量的总和必须占宇宙总含量的70%以上。但没有人知道如何去寻找它。近年来，最优秀的研究人员在暗能量可能隐藏的地方所做的研究非常有限，这也是2015年8月发表的一项研究的主题。 NO.2 暗物质是什么? 显然，宇宙中大约84%的物质不吸收或不发光。“暗物质”，就像它被叫的那样，它不能直接被观测到，也还没有被间接探测到。相反，暗物质的存在和性质从它对可见物质、辐射和宇宙结构的引力作用推断出来。这种阴暗的物质被认为遍布星系的外围，可能由“弱相互作用的大质量粒子”或弱相互作用粒子组成。在世界范围内，有几个探测器在寻找弱相互作用大质量粒子，但到目前为止，还没有发现一个。最近的一项研究表明，暗物质可能在整个宇宙中形成长而细的溪流，而这些溪流可能像毛发一样从地球上辐射出来。 NO.3 为什么会有时间之箭? 时间在前进，因为宇宙的一个属性叫做“熵”，粗略地定义为无序程度，它只会增加，所以在它发生后，没有办法逆转熵的上升。熵增加的事实是一个逻辑问题:粒子的无序排列比有序排列要多，因此随着事物的变化，它们往往会陷入混乱。但这里潜在的问题是，为什么熵在过去这么低?换句话说，为什么宇宙从一开始就如此有序，当大量的能量被挤在一小块空间里? NO.4 有平行宇宙? 天体物理数据表明，时空可能是“平坦的”，而不是弯曲的，因此它会一直持续下去。如果是这样的话，那么我们所能看到的区域(我们认为是“宇宙”)只是一个无限大的“多重宇宙”中的一个板块。同时,量子力学的定律规定,只有有限数量的粒子可能配置在每个宇宙板块(10 ^ 10^ 122不同的可能性)。所以，有无数的宇宙板块，其中的粒子排列被迫重复无限次。这意味着有无限多个平行的宇宙:宇宙和我们的宇宙板块完全相同(包含了和你完全一样的人)，以及板块与一个粒子的位置不同，板块与两个粒子的位置不同，等等，直到与我们的完全不同。 这种逻辑有什么问题吗，或者它的怪异结果是真的吗?如果这是真的，我们怎么可能探测到平行宇宙的存在呢? NO.5 为什么物质比反物质多? 为什么物质比其双生体，电荷相反和旋转方向相反的反物质要多得多，这实际上是一个关于为什么所有物质都存在的问题。人们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。但如果发生这种情况，这两种物质就会完全湮灭:质子会被反质子抵消，电子会被反电子(正电子)抵消，中子会被反中子抵消，等等，在无物质的广阔空间中，留下一片光子的海洋。由于某些原因，有多余的物质没有被湮灭，所以才导致我们诞生在这里。对此，没有公认的合理解释。2015年8月公布的迄今为止最详细的反物质和反物质差异测试，证实了它们是彼此的镜像，为理解为什么物质要普遍得多这一谜题提供了新途径。 NO.6 宇宙的命运是什么? 宇宙的命运很大程度上取决于一个因素的未知值:Ω,衡量整个宇宙的物质和能量密度。如果Ω大于1,那么时空将像一个巨大的球体的表面一样“封闭”。如果没有暗能量，这样的宇宙最终将停止膨胀，而是开始收缩，最终坍缩成一个被称为“大紧缩”的事件。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,那么空间将像马鞍那样的几何表面一样的“开放”。在这种情况下，它的最终命运是“大冻结”，然后是“大撕裂”:首先，宇宙的向外加速会撕裂星系和恒星，使所有的物质变得寒冷和孤独。接下来，加速度会变得如此之大，以至于它会压倒将原子结合在一起的力的影响，一切都会被扭曲。 如果Ω= 1,宇宙是平坦的,就像一个在所有的方向都无限平坦的平面。如果没有暗能量，这样一个平面宇宙将会永远膨胀，但会以不断减速的速度，接近静止。如果存在暗能量，平坦的宇宙最终将经历失控的膨胀，导致大撕裂。不管结果如何，宇宙正在消亡，天体物理学家保罗萨特(Paul Sutter)在2015年12月发表的一篇文章中详细讨论了这一事实。 NO.7 测量如何破坏量子波函数? 在电子、光子和其他基本粒子的奇异领域，量子力学是定律。粒子不像小球那样运动，而是像在一个大区域上传播的波。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、速度和其他属性更可能是什么，而不是这些属性是什么。粒子实际上对所有性质都有一个取值范围，直到你实验测量其中的一个——比如它的位置——在这个点上粒子的波函数“坍缩”，它只确定一个位置。 但是，测量一个粒子的波函数为什么会导致坍缩的，又是如何导致坍缩的？坍缩是怎么产生我们认为存在的具体现实世界呢?这个问题，也就是所谓的测量问题，可能看起来很深奥，但是我们对现实是什么或者它是否存在的理解，取决于这个问题的答案。 NO.8 弦理论是正确的吗? 当物理学家假设所有基本粒子实际上都是一维的循环，或者“弦”，每一个都以不同的频率振动，物理学就变得容易多了。弦理论使物理学家能够调和支配粒子的定律(量子力学)和支配时空的定律(广义相对论)，并将自然界的四种基本力量统一为一个单一的框架。但问题是，弦理论只能在一个有10或11个维度的宇宙中工作:3个大的空间维度，6或7个压缩的空间维度，以及一个时间维度。 压缩的空间维度——以及振动弦本身——大约是原子核大小的万亿分之一。没有任何方法可以检测到这么小的东西，所以也没有已知的方法来实验验证或证明弦理论无效。 由于篇幅有限，请点开我的文章列表或直接点击下面文章链接，阅读这篇文章的后半部分 |
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