物理学中18个未解之谜

子轸 2019年11月9日09:24:46 评论

介绍

物理学中18个未解之谜
据说在1900年,英国物理学家开尔文勋爵(Lord Kelvin)宣布:“现在物理学上没有新发现。剩下的就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一领域。今天,没有物理学家敢于断言我们对宇宙的物理知识已接近完成。相反,每个新发现似乎都可以解开潘多拉魔盒中更大甚至更深层的物理问题。这些是我们针对所有最深刻的公开问题的选择。

在其中,您将了解平行的宇宙,为什么时间似乎只朝一个方向移动,为什么我们不理解混乱。

什么是暗能量

物理学中18个未解之谜
无论天体物理学家如何计算数字,宇宙都不会累加。即使重力在时空(宇宙的“面料”)上向内拉,它仍在不断向外扩张。为了解决这个问题,天体物理学家提出了一种看不见的物质,它通过将时空分开来抵消重力。他们称其为暗能量。在最广泛接受的暗能量模型中,它是“宇宙常数”:空间本身的固有属性,它具有“负压”驱动空间。随着空间的扩大,会产生更多的空间,并随之产生更多的暗能量。根据观察到的膨胀率,科学家知道所有暗能量的总和必须占宇宙总含量的70%以上。但是没人知道如何寻找它。2015年8月发布的一项研究的主题是,近年来,最出色的研究人员在暗能量可能隐藏的地方有些狭窄。

什么是暗物质

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下一步:时间的箭头

为什么会有时间箭?

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时间之所以向前发展,是因为宇宙的一种性质被称为“熵”(大致定义为无序程度)只会增加,因此,在发生熵之后,无法逆转熵的上升。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更多,因此随着事物的变化,它们倾向于陷入混乱。但是这里的基本问题是,为什么熵在过去这么低?换句话说,为什么当一小部分空间内充斥着大量的能量时,宇宙在开始时为什么会如此有序?[ 宇宙中的总能量是多少?]

下一步:平行宇宙

有平行宇宙吗?

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天体物理数据表明,时空可能是“平坦的”,而不是弯曲的,因此它会永远持续下去。如果是这样,那么我们可以看到的区域(我们认为是“宇宙”)只是无限大的“ quil缝的多重宇宙”中的一个斑块。同时,量子力学定律规定,每个宇宙补丁中只有有限数量的可能粒子构型(10 ^ 10 ^ 122个不同的可能性)。因此, 无穷大宇宙补丁,其中的粒子排列被迫重复-无限多次。这意味着有无限多个平行的宇宙:与我们的宇宙完全相同的宇宙斑块(包含与您完全一样的某个人),以及仅一个粒子位置不同的斑块,即两个粒子位置不同的斑块,依此类推直至与我们完全不同的补丁。

这个逻辑有什么问题吗,或者它的怪异结果是真的?如果这是真的,那么我们怎么可能检测到平行宇宙的存在呢?查看2015年的出色观点,探讨“无限宇宙”的含义。

下一步:物质与反物质

为什么有比反物质更多的东西?

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为什么有比其带相反电荷和相反旋转的孪生子反物质多得多的问题,实际上是一个问题,为什么根本不存在任何东西。人们假设宇宙会对称地对待物质和反物质,因此,在大爆炸之时,应该已经产生了等量的物质和反物质。但是,如果那件事发生了,那将彻底消灭这两个问题:质子会被反质子抵消,电子会与反电子(正电子)抵消,中子和反中子等等等等,在无意义的情况下会留下一片沉闷的光子海广阔 由于某种原因,有多余的东西没有被消灭,现在我们就到了。为此,没有公认的解释。在最详细测试 迄今为止,2015年8月宣布的物质与反物质之间的差异,确认它们是彼此的镜像,为了解为何物质更为普遍的奥秘提供了完全零的新途径。

下一步:宇宙的命运

宇宙的命运是什么?

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宇宙的命运很大程度上取决于一个未知值:Ω,是整个宇宙中物质和能量密度的度量。如果Ω大于1,则时空将像巨大球体的表面一样“封闭”。如果没有暗能量,那么这样的宇宙将最终停止膨胀,而开始收缩,最终在被称为“大危机”的事件中自身崩溃。如果宇宙是封闭的,但有是暗能量,球形宇宙将永远膨胀。

或者,如果Ω小于1,则空间的几何形状将像鞍形表面一样是“开放的”。在这种情况下,它的最终命运是“大冰点”,然后是“大裂口”:首先,宇宙的向外加速会将星系和恒星撕裂,使所有物质变得冷酷而孤独。接下来,加速度将增长得如此之强,以至于压倒了将原子束缚在一起的力的作用,并且一切都将被撕裂。

如果Ω= 1,则宇宙将是平坦的,在各个方向上都像一个无限的平面一样延伸。如果没有暗能量,那么这样一个平面的宇宙将永远膨胀,但是会以不断减速的速度接近静止状态。如果有暗能量,那么扁平的宇宙最终将经历失控的膨胀,从而导致大爆炸。不管它如何发挥作用,宇宙都将死去,这是天体物理学家保罗·萨特(Paul Sutter)在2015年12月发表的论文中详细讨论的事实。

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下一步:一个更陌生的概念

测量如何使量子波函数崩溃?

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在电子,光子和其他基本粒子的陌生领域,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浪。每个粒子都用“波函数”或概率分布来描述,该函数可以说明其位置,速度和其他属性更有可能是什么,而不是那些属性是什么。粒子实际上具有所有属性的一系列值,直到您实验测量其中的一个(例如,其位置)为止,此时粒子的波函数“塌陷”并且仅采用一个位置。
但是测量粒子如何以及为什么使其波函数崩溃,从而产生我们认为存在的具体现实?这个被称为测量问题的问题看起来似乎很深奥,但是我们对现实是什么,或者根本存在的认识取决于答案。

下一步:弦论

弦论正确吗?

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当物理学家假设所有基本粒子实际上都是一维环或“弦”,每个环以不同的频率振动时,物理学就会变得容易得多。弦理论使物理学家能够将控制粒子的定律(称为量子力学)与控制时空的定律(称为广义相对论)协调起来,并将自然的四个基本力统一为一个框架。但是问题是,弦论只能在10维或11维的宇宙中起作用:三个大空间维,六个或七个压缩空间维以及一个时间维。压缩的空间尺寸(以及振动的弦本身)大约是原子核大小的1万亿分之一。没有可以想象的方法来检测这么小的东西,因此也没有已知的方法可以通过实验验证或使字符串理论无效。

最后:我们以混乱结束。。。

混乱中有秩序吗?

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物理学家无法完全解决描述流体行为的方程组,从水到空气再到所有其他液体和气体。实际上,还不知道所谓的Navier-Stokes方程的一般解是否存在,或者是否存在解(无论是否在各处描述流体)或包含固有的未知点(称为奇点)。结果,人们对混乱的本质没有很好的理解。物理学家和数学家想知道,天气仅仅是难以预测还是天生就无法预测?湍流会超越数学描述吗?还是用正确的数学解决湍流,这一切都有意义吗?

宇宙的力量会合而为一吗?

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宇宙经历四个基本力:电磁力,强核力,弱相互作用(也称为弱核力)和重力。迄今为止,物理学家知道,如果您将能量调高到足够的水平(例如,在粒子加速器内部),其中三个力就会“统一”并成为一个力。物理学家已经运行了粒子加速器,并统一了电磁力和弱相互作用,并且在更高的能量下,强核力以及最终引力会发生相同的情况。

但是,即使理论认为应该发生这种情况,自然也不一定总是如此。到目前为止,还没有粒子加速器达到足够高的能量来统一电磁力和弱相互作用。包括重力将意味着更多的能量。尚不清楚科学家是否可以建立如此强大的科学家。日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)可以使粒子以万亿电子伏特(约14兆电子伏特或TeV)的能量相互碰撞。为了获得巨大的统一能量,粒子至少需要一万亿倍,因此物理学家不得不寻找这种理论的间接证据。

除了能量问题之外,大统一理论(GUT)仍然存在一些问题,因为它们预测到目前为止还没有出现的其他观察结果。有几个GUT表示质子在巨大的时间跨度(大约10 ^ 36年)内应转变为其他粒子。从未观察到这种现象,因此质子的寿命比任何人想象的都要长得多,或者它们确实永远稳定。对某些类型的GUT的另一种预测是存在磁单极子-磁体的孤立的“北极”和“南极”-也没有人见过。我们可能没有足够强大的粒子加速器。或者,物理学家可能对宇宙的工作方式有误。

黑洞内会发生什么?

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如果将对象的信息吸入黑洞,该怎么办?根据当前的理论,如果要将一立方铁放入一个黑洞中,将无法检索任何信息。这是因为黑洞的引力如此之大,以至于其逃逸速度要比光快-并且光是其中最快的东西。但是,一个称为量子力学的科学分支说,量子信息无法被破坏。芝加哥洛约拉大学物理学副教授罗伯特·麦克尼斯说:“如果以某种方式消除这些信息,就会有些麻烦。
量子信息与我们在计算机上以1和0或大脑中存储的信息有些不同。这是因为量子理论无法提供有关物体位置的确切信息,例如在力学中计算棒球的轨迹。取而代之的是,这些理论揭示了某种行动的最可能的位置或最可能的结果。结果,各种事件的所有概率之和应为1,即100%。(例如,当您滚动六面骰子时,给定面的出现几率是六分之一,因此所有面的概率加起来为1,并且您不能确定某事物的概率超过100%量子理论因此被称为单一理论。如果您知道系统如何结束,则可以计算系统如何开始。

要描述一个黑洞,您所需要的只是质量,角动量(如果它正在旋转)和电荷。除了缓慢的le流,称为霍金辐射,没有任何东西可以从黑洞中冒出来。据任何人所知,没有办法进行反向计算来找出黑洞实际上吞噬了什么。信息被破坏。但是,量子理论认为信息不可能完全遥不可及。其中存在“ 信息悖论”。

麦克尼斯说,关于这个问题有很多工作,特别是史蒂芬·霍金和史蒂芬·佩里,他们在2015年提出,信息不是存储在黑洞的深处,而是保留在边界上,称为事件地平线。许多其他人试图解决这一矛盾。到目前为止,物理学家尚无法达成共识,他们可能会在一段时间内不同意。

是否存在裸奇异点?

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一个奇点时的“东西”有些属性是无限的发生,因此物理定律,因为我们知道他们打破。黑洞的中心是一个无限年轻且密集的点(充满了有限量的物质),这一点称为奇点。在数学中,奇异性总是会出现-除以零就是一个例子,并且坐标平面上的垂直线具有“无限”的斜率。实际上,垂直线的斜率只是不确定的。但是奇异是什么样的呢?它将如何与宇宙的其余部分相互作用?说某物没有实际表面并且无限小是什么意思?

一个“裸”奇点是一个可以与宇宙的互动。黑洞具有事件视界-球形区域,甚至没有光都无法从该球形区域逸出。乍一看,您可能会认为至少对于黑洞,裸奇点的问题已得到部分解决,因为任何事物都无法脱离事件视界,并且奇点不会影响宇宙的其余部分。(可以这么说,它是“衣服”,而赤裸裸的奇异之处是没有事件视野的黑洞。)

但是,是否可以在没有事件视界的情况下形成奇异点仍是一个未解决的问题。如果它们存在,那么爱因斯坦的广义相对论就需要修正,因为当系统过于接近奇点时,它就会崩溃。赤裸裸的奇异之处也可能是虫洞,也可能是时间机器,尽管自然上没有证据。

违反电荷奇偶对称性

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如果将粒子与其反物质同级交换,则物理定律应保持不变。因此,例如,带正电的质子应该看起来与带负电的反质子相同。这就是电荷对称的原理。如果左右互换,则物理定律应该看起来相同。那是奇偶校验对称。两者合起来称为CP对称。在大多数情况下,不会违反此物理规则。但是,某些外来粒子违反了这种对称性。麦克尼斯说,这就是为什么很奇怪。他说:“在量子力学中不应有任何违反CP的行为。” “我们不知道为什么。”

声波发光时

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尽管粒子物理问题解决了许多尚未解决的问题,但在台式实验室设置中仍可以观察到一些谜团。声致发光就是其中之一。如果您喝水并用声波击打,则会形成气泡。这些气泡是被高压包围的低压区域。外部压力推动低压空气,气泡迅速坍塌。当这些气泡崩溃时,它们会以持续万亿分之一秒的闪光的速度发光。

问题是,还不清楚光源是什么。理论范围从微小的核聚变反应到某种类型的放电,甚至是气泡内部气体的压缩加热。物理学家已经测量了这些气泡内部的高温,温度约为几万华氏度,并拍摄了许多有关它们产生的光的照片。但是,没有很好的解释说明声波如何在气泡中产生这些光。

标准模型之外还有什么?

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标准模型是有史以来最成功的物理理论之一。它已经经受了长达40年的实验测试,并且新的实验不断表明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围一切的粒子的行为,并解释了例如粒子为何具有质量的原因。实际上,2012年发现希格斯玻色子(一种能使质量变大的粒子)是一个历史性的里程碑,因为它证实了其存在的长期预测。

但是标准模型并不能解释所有问题。标准模型做出了许多成功的预测,例如希格斯玻色子,W和Z玻色子(介导控制放射性的弱相互作用)并在它们之间夸张,因此很难看到物理学可能超越它。也就是说,大多数物理学家都认为标准模型不完整。对于新的,更完整的模型,有几个竞争者-弦论就是这样的模型-但到目前为止,这些都还没有得到实验的最终验证。

基本常数

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无量纲常数是没有附加单位的数字。例如,光速是一个基本常数,以米/秒(或186,282英里/秒)为单位进行测量。与光速不同,无量纲常数没有单位并且可以测量,但是它们不能从理论中得出,而像光速这样的常数可以。

天文学家马丁·里斯(Martin Rees)在他的著作《六个数字:塑造宇宙的深层力量》(基本书籍,2001年)中着重研究了一些他认为对物理学至关重要的“无量纲常数”。实际上,有六个以上。标准模型中大约有25个。[存在的9个最大规模的数字 ]

例如,精细的结构常数(通常写为alpha)控制着磁性相互作用的强度。大约是0.007297。使这个数字奇怪的是,如果有任何不同,稳定的物质将不存在。另一个是许多基本粒子(例如电子和夸克)的质量与普朗克质量的比率(1.22 ´10 19 GeV / c 2)。物理学家很想弄清楚为什么这些特定的数字具有它们所具有的价值,因为如果它们之间存在很大差异,那么宇宙的物理定律将不允许人类存在。但是,对于为什么它们具有这些价​​值,仍然没有令人信服的理论解释。

无论如何,引力到底是什么?

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重力是什么?其他力是由粒子介导的。例如,电磁是光子的交换。该弱核力由W和Z玻色子携带,和胶子携带保持原子核在一起的强大的核力量。麦克尼斯说,所有其他力都可以量化,这意味着它们可以表示为单个粒子,并且具有不连续的值。

重力似乎并非如此。大多数物理理论认为,它应该由称为引力子的假想无质量粒子携带。问题是,还没有人发现引力子,而且尚不清楚是否可以构建任何粒子探测器都能看到它们,因为如果引子与物质发生相互作用,它们将很少,非常少地发生—很少导致它们不可见。背景噪音。引力子没有质量,甚至还不清楚,尽管如果它们具有质量,那么它非常非常小-小于中微子的质量,中微子是已知最轻的粒子之一。弦论认为引力子(和其他粒子)是能量的闭环,但是到目前为止,数学工作还没有产生太多见识。

因为还没有观察到引力子,所以引力阻止了我们以理解其他力的方式试图理解引力的尝试,即作为粒子的交换。一些物理学家,特别是西奥多·卡卢扎(Theodor Kaluza)和奥斯卡·克莱因(Oskar Klein)认为,重力可能以粒子的形式在超出我们所熟悉的三个空间(长度,宽度和高度)和时间(持续时间)之外的额外维度中起作用。是真的还是未知数。

我们生活在虚假的真空中吗?

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宇宙似乎相对稳定。毕竟,它已经存在了约138亿年。但是,如果整个事情都是一次大事故怎么办?

这一切都始于希格斯和宇宙的真空。真空或空的空间应该是尽可能低的能量状态,因为其中什么也没有。同时,希格斯玻色子-通过所谓的希格斯场-赋予了一切质量。加利福尼亚大学洛杉矶分校物理学和天文学教授亚历山大·库森科在《物理学》杂志上发表文章说,真空的能量状态可以根据希格斯场的势能以及希格斯和顶峰的质量来计算。夸克(基本粒子)。

到目前为止,这些计算似乎表明宇宙的真空可能未处于可能的最低能量状态。那意味着那是虚假的真空。如果真是这样,我们的宇宙就可能不稳定,因为足够的暴力和高能事件可能会使虚假的真空变成低能状态。如果发生这种情况,将出现一种称为气泡成核的现象。能量较低的真空球将开始以光速生长。没有任何东西,甚至是物质本身,都无法生存。实际上,我们将用另一个可能具有完全不同的物理定律的宇宙代替宇宙。
这听起来很可怕,但是考虑到宇宙仍然存在,显然还没有发生这样的事件,天文学家已经看到了伽马射线爆发,超新星和类星体,所有这些都非常活跃。因此,我们无需担心的可能性很小。就是说,虚假真空的想法意味着我们的宇宙可能会以这种方式突然存在,而以前的宇宙的虚假真空被打造成一个较低的能量状态。也许我们是粒子加速器事故的结果。

子轸

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