物理学中有七个最大的未解答的问题

如果艾萨克·牛顿突然从时间机器中弹出来，他很高兴看到物理学有多远。几个世纪前深深神秘的事情现在在新生物理课上教授（星星的组成是一个很好的例子）。

牛顿将会惊奇地看到瑞士的大型强子对撞机（LHC）等大型实验，并且可能会受到扰动，以了解他的重力理论已被一些名叫爱因斯坦的人所梦想。量子力学可能会使他像一个奇怪的，尽管今天的科学家也是一样的。

但是，一旦达到速度，牛顿无疑将鼓舞现代物理学取得的成就 - 从发现19世纪光的本质到确定二十世纪原子的结构，去年发现引力波。然而今天的物理学家是第一个承认他们没有所有答案的人。加利福尼亚大学物理学家Daniel Whiteson博士和新书“我们没有想法：未知宇宙的指南”的合着者说：“有关宇宙的基本事实，我们是无知的。

以下是简要介绍物理学中最大的未解决问题的七个。（如果你想知道为什么像黑暗的物质和黑暗的能量这样的头部刮板不在列表中，那是因为他们在我们早期关于宇宙五大问题的故事中。）

©CERN的大型强子对撞机中的一个粒子探测器。事情是什么？

我们知道物质是由原子组成的，原子由质子，中子和电子组成。我们知道质子和中子是由称为夸克的较小粒子组成的。将探索更深层次的发现粒子更根本？我们不知道。

我们有一些称为粒子物理学标准模型的东西，它非常好地解释了亚原子粒子之间的相互作用。标准模型也被用于预测以前未知的颗粒的存在。最后一个这样发现的粒子是希格斯玻色子，这是LHC研究人员在2012年发现的。

但是有一个搭便车。

芝加哥附近费米国家加速器实验室（Fermilab）的粒子物理学家唐·林肯博士说：“标准模型并没有解释一切。” “这不能解释为什么希格斯玻色子存在，它并没有解释为什么希格斯玻色子的质量是它所做的。” 事实上，希格斯原来是比预测的要小得多 - 理论认为这将是“比它重十倍”，林肯说。

奥秘不止于此。原子已知是电中性的 - 质子的正电荷被电子的负电荷抵消 - 但是为什么是这样，林肯说：“没人知道。

为什么重力很奇怪？

没有力量比重力更熟悉 - 毕竟，这是什么让我们的脚在地上。而爱因斯坦的广义相对论则给出了重力的数学公式，将其描述为空间的“翘曲”。但是，重力比其他三个已知的力量（电磁和在微小距离上运行的两种核力量）弱了万亿次。

在这一点上，推测的一个可能性在于，除了我们每天注意到的三维空间之外，还有一些隐藏的额外维度，或许是“卷曲起来”，使得它们不可能被检测出来。如果这些额外的维度存在，而且如果重力能够“泄漏”到它们中 - 这可以解释为什么重力对我们来说太弱了。

Whiteson说：“这可能是重力与其他力量一样强大，但是通过溢出到其他看不见的维度来迅速稀释。一些物理学家希望LHC的实验能够提供这些额外的维度 - 但到目前为止，没有运气。

为什么时间似乎只在一个方向流动？

自爱因斯坦以来，物理学家将空间和时间看作形成被称为“时空”的四维结构。但是空间与时间有些不同。在太空中，我们可以随心所欲地移动。当谈到时间，我们被困住了。我们长大，不年轻。我们记得过去，而不是未来。时间与空间不同，似乎有一个优先的方向 - 一些物理学家称之为“时间之箭”。

一些物理学家怀疑热力学第二定律提供了一个线索。它指出，物理系统的熵（大致上是混乱的数量）随着时间的推移而上升，物理学家认为这种增长是使时间成为通路的一个途径。例如，一个破碎的茶杯比一个完整的茶杯有更多的熵 - 而且确实足够的是，在完整的茶杯之后似乎总是出现呃，而不是之前。

但熵可能会上升，因为它较早，但为什么开始低？当大爆炸诞生时，宇宙的熵是否在140亿年前异常低下？

对于一些物理学家，包括加州理工学院的肖恩·卡罗尔（Sean Carroll），这是拼图的缺失。“如果你能告诉我为什么早期的宇宙熵低，那么我可以解释其余部分，”他说。在Whiteson的观点，熵不是整个故事。“对我来说，”他说，“问题最深刻的部分是，为什么时间与时空有所不同？（最近的计算机模拟似乎显示了时间的不对称性是如何从物理学的基本规律中产生的，但是这个工作是有争议的，时间的最终本质继续引起激情的争论。

©费米国家加速器实验室在巴伐利亚伊利诺伊州。 Giovani Punzi4.所有的反物质都在哪里？

反物质在虚构中可能比现实生活中更为着名。在原来的“星际迷航”中，反物质与普通物质反应，为速度更快的推动USS企业的翘翘驱动。虽然翘曲是纯粹的虚构，反物质是非常真实的。我们知道，对于普通物质的每个粒子，可能具有相反电荷的相同粒子。一个反质子就像一个质子，例如，但是负电荷。对应于带负电荷的电子的反粒子是带正电子的正电子。

物理学家在实验室中制造了反物质。但是当他们这样做的时候，他们创造了相等的事情。这表明大爆炸必须同时产生物质和反物质。然而，我们周围看到的几乎所有的东西都是由普通事物所构成的，从我们脚下的地面到最遥远的星系。

这是怎么回事？为什么反物质比物质更多？我们最好的猜测是，大爆炸不仅产生比反物质更多的东西。林肯说：“宇宙历史早期发生的事情 - 在大爆炸之后的瞬间，就是每100亿个反物质粒子有100亿，有一颗粒子。” “事情和反物质消灭了100亿，留下了一个，这个小的”一个“就是组成我们的群众。”

但是为什么反物质的轻微过剩首先呢？“我们真的不明白，”林肯说。“这很奇怪。” 如果物质和反物质的初始量相等，他们将以一阵精力彻底消灭对方。在这种情况下，林肯说，“我们不会存在”。

当深空地下中立实验（DUNE）于2026年开始收集数据时，有些答案可能会出现.DUNE将分析一束从Fermilab向南达科他州Sanford地下研究设施发射的微小，无电和几乎无质量的中微子，大约800几英里以外。光束将包括中微子和反中子，目的是观察它们是否以相同的方式表现 - 从而潜在地为自然的物质 - 反物质不对称提供了线索。

©由NBCU新闻集团提供NBCUniversal Media LLC的一个部门 图像：沙5.固体和液体之间的灰色区域会发生什么？

固体和液体是很好理解的。但是一些材料就像液体和固体一样，使得它们的行为难以预测。沙是一个例子。一粒沙子像岩石一样坚固，但是一百万颗谷物几乎像水一样流过漏斗。而高速公路的交通行为可以以相似的方式行事，自由流动，直到遇到瓶颈为止。

所以更好地了解这个“灰色地带”可能有重要的实际应用。

“人们一直在问，整个系统在什么情况下会阻塞或阻塞？Mount Holyoke学院的物理学家Kerstin Nordstrom博士说。“避免堵塞的关键参数是什么？” 奇怪的是，在某些情况下，交通阻塞可以减少交通堵塞。“这是非常违反直觉的，”她说。

我们可以找到统一的物理理论吗？

我们现在有两个总体理论来解释每一个物理现象：爱因斯坦的重力理论（广义相对论）和量子力学。前者善于解释一切从高尔夫球到星系的动作。量子力学在其自身的领域 - 原子和亚原子粒子的领域同样令人印象深刻。

麻烦的是，这两种理论用非常不同的方式来描述我们的世界。在量子力学中，事件在时空的固定背景下展开 - 而在广义相对论中，时空本身是灵活的。弯曲时空的量子理论会是什么样的？我们不知道，卡罗尔说。“我们甚至不知道我们正在量化什么。”

这还没有阻止人们尝试。几十年来，字符串理论 - 哪些图片由微小的振动弦或能量循环所组成 - 已被吹捧为制作统一的物理理论的最佳选择。但一些物理学家更喜欢循环量子重力，其中空间本身被想象成由微小的循环。

每种方法都取得了一些成功 - 特别是由弦理论家开发的技术证明对于解决某些困难的物理问题是有用的。但是弦理论或循环量子重力都没有经过实验测试。现在，长期寻求的“一切理论”仍然是我们的遗漏。

一旦人类在四十亿年前就在我们这个星球上扎根，它就遍布世界各地。但是如何生活... 秘鲁的拉戈普雷图，亚马逊雨林和湖泊的鸟瞰图7.生活如何从非生物物质演变而来？

在其前五十年，地球没有生命力。那么生活就一直保持下去，而且从此开始兴旺发达。但生活怎么样？在生物进化开始之前，科学家认为有化学进化，简单的无机分子反应形成复杂的有机分子，最有可能在海洋中。但是，这个过程首先启动了什么？

麻省理工学院物理学家英国杰瑞米博士最近提出了一个理论，试图用物理学的基本原理来解释生命的起源。在这种观点下，生活是熵增长的必然结果。如果这个理论是正确的，那么生活的到来应该像岩石下坡一样毫不奇怪，“英国人在2014年告诉”广达“杂志。

这个想法是高度投机的。然而，最近的计算机模拟可能会为其提供支持。模拟显示，普通化学反应（在新形成的地球上一般常见的化学反应）可能导致高度结构化的化合物的产生 - 似乎是生物体路径上的关键步伐。

什么让物理学家的生活如此难学？任何活着的东西都是“远离平衡的”，就像物理学家所说的那样。在平衡的系统中，一个组件几乎与其他组件一样，没有能量流入或流出。（一块石头就是一个例子，一个充满气体的盒子是另一个）。生活正好相反。例如，植物吸收阳光并利用其能量来制造复杂的糖分子，同时将热量散发回到环境中。

理解这些复杂的系统“是物理学中未解决的巨大问题，”多伦多物理学家斯蒂芬·莫里斯说。“我们如何处理这些远离平衡的系统，自我组织成惊人的，复杂的东西 - 像生活？