悬而未决的物理学问题

作者: 许德惇

来源: 科学网許德惇

发布日期: 2015-08-29 11:05:48

本文概述了当前物理学中悬而未决的六大问题,包括暗能量与暗物质、时间之矢、平行宇宙、物质与反物质的差异、宇宙的最终命运以及弦论的正确性。这些问题是科学家们正在积极探索的课题,涉及到宇宙的起源、结构和未来。

早在2012年7月初,作者Natalie Wolchover在Livescience上率先指出目前物理学上9个亟待厘清的奥秘问题,并以潘朵菈的盒子形容之。迨至去年四月作者Waleed Al-Husseini又在其博文上转贴了其全文,并附上精美的附图说明。

无独有偶,今年初另一作者Tom Siegfried也列举了本世纪,10个有待科学家们予以深入探讨的问题,其中有6个和前述9个「悬而未决的物理学」问题雷同。由于这些课题,也正是我往后博文中拟加以阐述的主题,故在此先做一概述,有关其进一步的详尽细节,容我在往后的博文中,再予以说明。

一、什么是「暗能量」?什么是「暗物质」?顾名思义,「暗物质」、「暗能量」指的是宇宙间,那些「潜藏」的物质和能量,就如同暗夜里,你看不到的景物。科学家们相信,就整个宇宙而言,我们可观测到物质的仅占约0.4%,而「暗能量」和「暗物质」分别占了约74%和22%,另外约3.6%为银河间的气体,也就是说,我们可观察到的宇宙,就质量和能量之总量而言,仅占亟小的一部分,实在少的可怜。

二、为什么有「时间之矢」?一般咸信,宇宙中的「熵」,自其形成迄今,永远随着时间的推移而增加,这个「熵」值由低变高的趋向,就是我们所认知的时间方向。因此,根本的核心问题是:宇宙在窄始时,具有那么高的能量,而空间又是那么小,为何「熵」却是处在最低值?

三、真的有「平行宇宙」吗?「宇宙是平的」这个看法,已是理论物理学的定论,意思是说,我们现今观察到的宇宙万物,只是宇宙依水平方向无限延伸的一部分,但是「量子力学」又告诉我们,在每一个环宇范畴里,粒子只能有有限的排列方式,因此,若宇宙无限延伸出去,就有无限的环宇范畴,而粒子的排列方式,在此无限的范畴中,就变得必须无限地重复呈现,形成许多与我们类似的宇宙,这可能吗?

四、为什么宇宙中的「物质」较「反物质」为多?「反物质」指的是那些和一般「物质」,具有相反荷电和旋转方向的孪生物质。一般假定,宇宙肇始时,这两者应该同时形成,而且在往后的宇宙演化史中,也应被所有自然律同等看待,但实际上却非如此,宇宙中的「物质」较「反物质」多得多了,科学家们迄今还没找到一个合理的解释。

五、宇宙的最终命运为何?宇宙的最终命运取决于其质量和能量的密度分布,此值依宇宙是否为一密闭、开放或平面的时空形貎,可以有大于、小于或等于1三种不同的数值,而不同的数值又隠示着宇宙未来不同的宿命,但到底其最终的宿命为何,科学家们迄今尚未能有一致的看法。六、「弦论」对吗?

「弦论」认为自然界中的基本粒子,是由次原子大小的一维环状物组成,此环状物称之为「弦」,因为它们类似乐器上的弦般,以不同的弹拨方式,奏出不同的音符或音阶,以上这些「弦」,即是以不同的振动方式,决定了各个不同粒子的本质和特性。这「弦论」主要是希望能将小尺度的「量子理论」和大尺度的「相对论」融合在一起,共同来解释宇宙万物的一种理论。

问题是该理论仅能在「十维的空间加上一维时间」的时空里才可行,目前来说,科学家们还无法找到,一个有效的实验方法去证实「弦」的存在,也因此难以证实该学说是否为真。

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