相信今天，沒有一個物理學家敢斷言我們對宇宙的物理知識已經接近完成。相反，每一個新發現似乎都打開了一個潘多拉的盒子，裡面裝著更大、更深奧的物理學問題。這些是我們對所有問題中最深刻的開放性問題的選擇。

下面讓我們漲漲知識吧。

NO.1 暗能量是什麼?

無論天體物理學家如何計算這些數字，宇宙根本就不會加起來。儘管引力對時空——宇宙的「結構」——的作用是向內拉，但它向外擴張的速度卻越來越快。為瞭解釋這一點，天體物理學家們提出了一種無形的物質，它通過擠壓時空來抵消重力。他們稱之為暗能量。在最廣泛接受的暗能量模型中，它是一個「宇宙常數」:空間本身的固有屬性，它具有「負壓力」驅動空間。隨著空間的擴大，更多的空間被創造出來，隨之而來的是更多的暗能量。根據觀測到的膨脹率，科學家們知道所有暗能量的總和必須佔宇宙總含量的70%以上。但沒有人知道如何去尋找它。近年來，最優秀的研究人員在暗能量可能隱藏的地方所做的研究非常有限，這也是2015年8月發表的一項研究的主題。

NO.2 暗物質是什麼?

顯然，宇宙中大約84%的物質不吸收或不發光。「暗物質」，就像它被叫的那樣，它不能直接被觀測到，也還沒有被間接探測到。相反，暗物質的存在和性質從它對可見物質、輻射和宇宙結構的引力作用推斷出來。這種陰暗的物質被認為遍佈星系的外圍，可能由「弱相互作用的大質量粒子」或弱相互作用粒子組成。在世界範圍內，有幾個探測器在尋找弱相互作用大質量粒子，但到目前為止，還沒有發現一個。最近的一項研究表明，暗物質可能在整個宇宙中形成長而細的溪流，而這些溪流可能像毛髮一樣從地球上輻射出來。

NO.3 為什麼會有時間之箭?

時間在前進，因為宇宙的一個屬性叫做「熵」，粗略地定義為無序程度，它只會增加，所以在它發生後，沒有辦法逆轉熵的上升。熵增加的事實是一個邏輯問題:粒子的無序排列比有序排列要多，因此隨著事物的變化，它們往往會陷入混亂。但這裡潛在的問題是，為什麼熵在過去這麼低?換句話說，為什麼宇宙從一開始就如此有序，當大量的能量被擠在一小塊空間裏?

NO.4 有平行宇宙?

天體物理數據表明，時空可能是「平坦的」，而不是彎曲的，因此它會一直持續下去。如果是這樣的話，那麼我們所能看到的區域(我們認為是「宇宙」)只是一個無限大的「多重宇宙」中的一個板塊。同時,量子力學的定律規定,只有有限數量的粒子可能配置在每個宇宙板塊(10 ^ 10^ 122不同的可能性)。所以，有無數的宇宙板塊，其中的粒子排列被迫重複無限次。這意味著有無限多個平行的宇宙:宇宙和我們的宇宙板塊完全相同(包含了和你完全一樣的人)，以及板塊與一個粒子的位置不同，板塊與兩個粒子的位置不同，等等，直到與我們的完全不同。

這種邏輯有什麼問題嗎，或者它的怪異結果是真的嗎?如果這是真的，我們怎麼可能探測到平行宇宙的存在呢?

NO.5 為什麼物質比反物質多?

為什麼物質比其雙生體，電荷相反和旋轉方向相反的反物質要多得多，這實際上是一個關於為什麼所有物質都存在的問題。人們假設宇宙會對稱地對待物質和反物質，因此，在大爆炸的那一刻，應該產生等量的物質和反物質。但如果發生這種情況，這兩種物質就會完全湮滅:質子會被反質子抵消，電子會被反電子(正電子)抵消，中子會被反中子抵消，等等，在無物質的廣闊空間中，留下一片光子的海洋。由於某些原因，有多餘的物質沒有被湮滅，所以才導致我們誕生在這裡。對此，沒有公認的合理解釋。2015年8月公佈的迄今為止最詳細的反物質和反物質差異測試，證實了它們是彼此的鏡像，為理解為什麼物質要普遍得多這一謎題提供了新途徑。

NO.6 宇宙的命運是什麼?

宇宙的命運很大程度上取決於一個因素的未知值:Ω,衡量整個宇宙的物質和能量密度。如果Ω大於1,那麼時空將像一個巨大的球體的表面一樣「封閉」。如果沒有暗能量，這樣的宇宙最終將停止膨脹，而是開始收縮，最終坍縮成一個被稱為「大緊縮」的事件。如果宇宙是封閉的，但有暗能量，球形宇宙將永遠膨脹。

或者,如果Ω小於1,那麼空間將像馬鞍那樣的幾何表面一樣的「開放」。在這種情況下，它的最終命運是「大凍結」，然後是「大撕裂」:首先，宇宙的向外加速會撕裂星系和恆星，使所有的物質變得寒冷和孤獨。接下來，加速度會變得如此之大，以至於它會壓倒將原子結合在一起的力的影響，一切都會被扭曲。

如果Ω= 1,宇宙是平坦的,就像一個在所有的方向都無限平坦的平面。如果沒有暗能量，這樣一個平面宇宙將會永遠膨脹，但會以不斷減速的速度，接近靜止。如果存在暗能量，平坦的宇宙最終將經歷失控的膨脹，導致大撕裂。不管結果如何，宇宙正在消亡，天體物理學家保羅薩特(Paul Sutter)在2015年12月發表的一篇文章中詳細討論了這一事實。

NO.7 測量如何破壞量子波函數?

在電子、光子和其他基本粒子的奇異領域，量子力學是定律。粒子不像小球那樣運動，而是像在一個大區域上傳播的波。每個粒子都由一個「波函數」或概率分佈來描述，它告訴我們它的位置、速度和其他屬性更可能是什麼，而不是這些屬性是什麼。粒子實際上對所有性質都有一個取值範圍，直到你實驗測量其中的一個——比如它的位置——在這個點上粒子的波函數「坍縮」，它只確定一個位置。

但是，測量一個粒子的波函數為什麼會導致坍縮的，又是如何導致坍縮的？坍縮是怎麼產生我們認為存在的具體現實世界呢?這個問題，也就是所謂的測量問題，可能看起來很深奧，但是我們對現實是什麼或者它是否存在的理解，取決於這個問題的答案。

NO.8 弦理論是正確的嗎?

當物理學家假設所有基本粒子實際上都是一維的循環，或者「弦」，每一個都以不同的頻率振動，物理學就變得容易多了。弦理論使物理學家能夠調和支配粒子的定律(量子力學)和支配時空的定律(廣義相對論)，並將自然界的四種基本力量統一為一個單一的框架。但問題是，弦理論只能在一個有10或11個維度的宇宙中工作:3個大的空間維度，6或7個壓縮的空間維度，以及一個時間維度。

壓縮的空間維度——以及振動弦本身——大約是原子核大小的萬億分之一。沒有任何方法可以檢測到這麼小的東西，所以也沒有已知的方法來實驗驗證或證明弦理論無效。

　　1900年，據說英國物理學家凱爾文勛爵（Lord Kelvin）曾宣稱：「現在物理學中沒有什麼新發現。剩下的就是越來越精確的測量。」三十年來，量子力學和愛因斯坦的相對論徹底改變了這個領域。今天，沒有物理學家敢斷言我們對宇宙的物理知識即將完成。相反，每一個新的發現似乎都打開了潘多拉的盒子，裡面裝著更大、更深入的物理問題。這些是我們挑選的最深刻的開放性問題。

在裡面你會學到平行宇宙，為什麼時間似乎只朝一個方向移動，為什麼我們不理解混沌。

為何時間在不停流逝？

時間之所以向前移動，是因為宇宙中一種叫做「熵」的性質，大體上被定義為無序的程度，只會增加，所以在它發生之後，沒有辦法逆轉熵的增加。熵增加的事實是一個邏輯問題：粒子的無序排列比有序排列多，因此隨著事物的變化，它們往往會陷入混亂。但最根本的問題是，為什麼過去熵這麼低？換言之，為什麼宇宙一開始就如此有序，是誰把大量的能量排列在在一個很小的空間裏？

是否存在平行宇宙？

天體物理數據表明，時空可能是「平坦」的，而不是彎曲的，因此它會一直持續下去。如果是這樣，那麼我們可以看到的區域（我們認為是「宇宙」）只是無限大的「多元宇宙」中的一個補丁。同時，量子力學定律規定，每個宇宙補丁中只有有限數量的可能粒子配置（10^10^122個不同的可能性）。因此，有了無限多個宇宙斑塊，它們內部的粒子排列被迫重複——無限多次。這意味著有無限多的平行宇宙：與我們完全相同的宇宙斑塊（包含與你完全相同的人），以及僅因一個粒子位置不同的斑塊，因兩個粒子位置不同的斑塊，等等，直至完全不同於我們的斑塊。雖然現在仍然無法證實這是真實存在的。

宇宙的命運是什麼？

宇宙的命運在很大程度上取決於一個未知的因素：Ω，一個測量整個宇宙物質和能量密度的指標。如果Ω大於1，時空就會像一個巨大球體的表面一樣「閉合」。如果沒有暗能量，這樣的宇宙將最終停止膨脹，而開始收縮，最終在一個被稱為「大危機」的事件中自我坍塌。如果宇宙是封閉的，但有暗能量，球形宇宙將永遠膨脹。

或者，如果Ω小於1，那麼空間的幾何結構將像鞍的表面一樣「開放」。在這種情況下，它的最終命運是「大冰塊」，接著是「大裂谷」：首先，宇宙的向外加速會撕裂星系和恆星，留下所有物質的寒冷和孤獨。下一步，加速度將變得如此強大，以至於它將壓倒把原子綁在一起的力的影響，所有的東西都將被扭開。

如果Ω=1，宇宙將是平的，像一個無限大的平面向四面八方延伸。如果沒有暗能量，這樣的平面宇宙將永遠膨脹，但速度會不斷減速，接近停滯。如果有暗能量，平坦的宇宙最終會經歷失控的膨脹導致大撕裂。不管結果如何，宇宙正在消亡，天體物理學家保羅·薩特在2015年12月的文章中詳細討論了這一事實。

觀察是如何使量子波函數崩潰的？

在電子、光子和其他基本粒子的奇異領域，量子力學就是定律。粒子的行為不像小球，而是像散佈在大面積上的波。每個粒子都由一個「波函數」或概率分佈來描述，它告訴我們它的位置、速度和其他屬性更可能是什麼，而不是那些屬性是什麼。粒子實際上具有所有屬性的一系列值，直到您通過實驗測量其中一個屬性（例如，它的位置）時，粒子的波函數在該點「塌陷」，並且它僅採用一個位置。（著名的雙縫干涉實驗）

但是，如何測量粒子的波函數如何以及為什麼使其坍塌，產生了我們認為存在的具體現實呢？這個問題，被稱為測量問題，似乎是深奧的，但是我們對現實的理解，或者它是否存在，取決於答案。

弦論究竟正確嗎？

當物理學家假設所有的基本粒子實際上都是一維環或「弦」，每一個都以不同的頻率振動時，物理學就容易多了。弦論使物理學家能夠調和控制粒子的定律，稱為量子力學，與控制時空的定律，稱為廣義相對論，並將自然界的四種基本力量統一為一個框架。但問題是，弦論只能在10或11維的宇宙中工作：3個大的空間維度，6或7個壓縮的空間維度，和一個時間維度。壓縮的空間維度，以及振動弦本身，大約是原子核萬億分之一大小的十億分之一。沒有任何可以想像的方法來檢測這麼小的東西，所以也沒有已知的方法來實驗驗證或使弦論失效。

混亂中有秩序嗎？

物理學家不能精確地解出描述流體行為的方程組，從水到空氣到所有其他液體和氣體。事實上，還不知道所謂的Navier-Valman方程的一般解是否存在，或者，如果存在一個解決方案，它是否到處描述流體，或者包含固有的不可知點，稱為奇點。因此，人們對混亂的本質並沒有很好的理解。物理學家和數學家想知道，天氣是僅僅難以預測，還是天生不可預測？湍流是否超越了數學描述，或者當你用正確的數學來處理它時，一切都有意義？

黑洞內部究竟會發生什麼？

如果一個物體被吸進黑洞，它的信息會發生什麼變化？根據目前的理論，如果你把一個立方體的鐵扔進黑洞，就沒有辦法獲取任何信息。這是因為黑洞的引力很強，它的逃逸速度比光速還快，而光是其中最快的東西。然而，一個叫做量子力學的科學分支說，量子信息是不會被破壞的。」芝加哥洛約拉大學物理學副教授羅伯特·麥克尼斯說：「如果你以某種方式抹殺了這些信息，就會出問題。」

量子信息有點不同於我們在計算機上存儲為1和0的信息，或者我們大腦中的東西。這是因為量子理論並沒有提供精確的信息，例如，一個物體將在哪裡，比如在力學中計算棒球的軌跡。相反，這樣的理論揭示了最有可能發生的地點或某個行動最有可能的結果。因此，各種事件的所有概率加起來應該是1，或100%。（例如，當你捲起一個六面骰子時，一個給定面的出現幾率是六分之一，所以所有面的概率加起來是1，你不能超過100%確定會發生什麼事情。）因此，如果你知道一個系統是如何結束的，你可以計算它是如何開始的。

要描述黑洞，你只需要質量，角動量（如果它在旋轉）和電荷。黑洞裏除了一種叫做霍金輻射的緩慢的熱輻射流外，什麼都沒有出來。據任何人所知，沒有辦法做反向計算來找出黑洞到底吞噬了什麼。信息被銷毀了。然而，量子理論認為信息不可能完全不可及。這就是「信息悖論」

麥克尼斯說，在這個問題上已經有很多工作，特別是斯蒂芬·霍金和斯蒂芬·佩裏在2015年提出，這些信息並沒有被儲存在黑洞的深淵中，而是保留在它的邊界上，稱為事件視界。還有許多人試圖解決這個矛盾。到目前為止，物理學家們還不能就這個解釋達成一致，而且他們可能會在一段時間內持不同意見。

裸奇點是否存在？

當一個「事物」的某些性質是無限的時，就會出現奇點，因此我們所知道的物理定律就會崩潰。在黑洞的中心有一個無限多密度的點（充滿了有限數量的物質）一個稱為奇點的點。在數學中，奇點總是會出現——除以零是一個例子，坐標平面上的垂直線有一個「無限」的斜率。實際上，垂直線的斜率是未定義的。但是奇點是什麼樣子的呢？它將如何與宇宙其他部分相互作用？什麼意思說某物沒有真實的表面並且是無限小的？

「裸」奇點是一個可以與宇宙其他部分相互作用的奇點。黑洞有事件視界——球形區域，任何東西，甚至光，都無法從中逃逸。乍一看，你可能認為裸奇點的問題至少在一定程度上解決了黑洞的問題，因為沒有任何東西可以脫離事件視界，奇點也不會影響宇宙的其他部分。（可以說，它是「穿上衣服的」，而裸奇點是一個沒有視界的黑洞。）

但奇點是否能在沒有視界的情況下形成仍是一個懸而未決的問題。如果它們能夠存在，那麼阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論需要修正，因為當系統過於接近奇點時，它就會崩潰。赤裸裸的奇點也可能起到蟲洞的作用，這也可能是時間機器——儘管自然界沒有證據證明這一點。

會發光的聲波?

雖然粒子物理問題是許多尚未解決的問題的原因，但一些謎團可以在實驗室的實驗臺上觀察到。聲致發光就是其中之一。如果你拿些水，用聲波打擊它，就會形成氣泡。這些氣泡是被高壓包圍的低壓區；外部壓力推動低壓空氣，氣泡迅速崩塌。當這些氣泡崩潰時，它們會發出光，以最後萬億分之一秒的速度閃爍。

問題是，還遠不清楚光源是什麼。理論的範圍從微小的核聚變反應到某種放電，甚至是氣泡內氣體的壓縮加熱。物理學家們測量了這些氣泡內部的高溫，溫度約為幾萬華氏度，並拍攝了大量它們產生的光的照片。但對於聲波如何在氣泡中產生這些光，還沒有很好的解釋。

萬有引力到底是什麼？

重力到底是什麼？其他的力是由粒子介導的。例如，電磁就是光子的交換。弱核力由W玻色子和Z玻色子攜帶，膠子攜帶將原子核結合在一起的強大核力。麥克尼斯說，所有其他的力都可以量化，這意味著它們可以表示為單個粒子，並且具有不連續的值。

地心引力看起來不像那樣。大多數物理理論認為它應該由一個假設的稱為引力子的無質量粒子攜帶。問題是，目前還沒有人發現引力子，也不清楚任何可以建造的粒子探測器是否能看到它們，因為如果引力子與物質相互作用，它們會非常、非常罕見地做到這一點，以至於它們在背景雜訊下是看不見的。現在還不清楚引力子是無質量的，儘管如果它們有質量的話，它是非常非常小的，比中微子要小，中微子是已知最輕的粒子之一。弦理論認為，引力子（和其他粒子）是能量的閉合環，但迄今為止，數學工作還沒有產生太多的見解。

因為引力子還沒有被觀測到，引力已經抵制了試圖用我們理解其他力的方式來理解它的嘗試——作為粒子的交換。一些物理學家，特別是特奧多爾·卡魯扎和奧斯卡·克萊因，認為重力可能是作為一個超空間（長度、寬度和高度）和我們熟悉的時間（持續時間）中的一個（長度、寬度和高度）的粒子而運行的，但這是否是真的還不得而知。

本篇回答來源互聯網

侵刪

物理學十大未解之謎_360doc個人圖書館?

www.360doc.cn

湍流。

不要以為經典力學範圍內的東西都能解釋清楚了，流體力學中的湍流是一個誰都不想去碰的問題。

能否用同一個簡單的公式表達「引力，電磁力，強核力，弱核力」，也就是《大統一理論》能否成功？

光的本質是什麼？

物質的基本粒子是什麼？（質子是由什麼構成的？）

目前來說，讓所有物理學家最關心的問題就是， 幽靈一般的暗物質與暗能量到底是什麼？

應該沒有比這個更重要的未解之謎了。

這兩個問題關係著人類對宇宙，對物理體系的認知的進一步提高。

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